DE69632130T2

DE69632130T2 - Akustischer berührungspositionssensor mit horizontal polarisierten scherwellen höherer ordnung

Info

Publication number: DE69632130T2
Application number: DE69632130T
Authority: DE
Inventors: Joel Kent
Original assignee: Elo Touch Systems Inc
Current assignee: Elo Touch Solutions Inc
Priority date: 1995-04-19
Filing date: 1996-02-13
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2016-02-14
Also published as: HK1018108A1; AU691094B2; DE69632130D1; US20060125804A1; ATE263985T1; US7061475B2; KR19990007881A; EP0823108B1; US20050012724A1; CN1179845A; JP2936210B2; EP0823108A4; KR100261353B1; US5986224A; US6723929B2; EP0823108A1; AU4928796A; JPH10506737A; US5591945A; CN1121668C

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine akustische Berührungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Zu den akustischen Berührungspositionssensoren als Ausführungsart der genannten akustischen Vorrichtung zählen bekanntlich ein Berührungstablett oder eine Berührungsscheibe mit einer entlang einer ersten Kante eines Substrats angeordneten Senderanordnung für die simultane Erzeugung paralleler akustischer Oberflächenwellen, die sich durch die Scheibe in Richtung einer entsprechenden, gegenüber der ersten Anordnung befindlichen Detektoranordnung auf einer zweiten Kante des Substrats ausbreiten. Ein weiteres Anordnungspaar ist in rechtem Winkel zum ersten Paar angebracht. Eine Berührung des Tabletts in einem Punkt verursacht eine Dämpfung der durch den Berührungspunkt passierenden Wellen. Dies ermöglicht eine Ausgabe der beiden Anordnungspaare, die die Koordinaten der Berührung anzeigt. Dieser Typ eines akustischen Berührungspositionssensors ist in U.S.-Patentschrift 3,673,327 beschrieben.
Das bevorzugte Substrat ist in vielen Ausführungen transparent, da dies den effizienten und wirksamen Einsatz des Berührungspositionssensors als Bedienfeld vor einem optischen Anzeigegerät, zum Beispiel einer Elektronenstrahlröhre, einer elektrolumineszenten Anzeige oder einer Flüssigkristallanzeige gestattet.
Es sind auch akustische Berührungspositionssensoren bekannt, in denen pro Achse ein einziger Wandler vorgesehen ist, der eine akustische Oberflächenwelle erzeugt, die durch ein reflektierendes Gitter mit in einem Winkel von 45° zum Strahl angeordneten Elementen im rechten Winkel über die Länge des Gitters reflektiert wird, um ein akustisches Oberflächenwellenmuster zu erzeugen, das sich durch einen aktiven Bereich des Substrats ausbreitet. Der Berührungspunkt im aktiven Bereich wird hierbei zum Beispiel durch Anbringen eines gegenüberliegenden reflektierenden Gitters bestimmt, welches das akustische Oberflächenwellenmuster entlang einer Achse des Gitters zu einem Empfängerwandlersystem leitet, das den Ankunftszeitpunkt einer Dämpfung des Wellenmusters aufzeichnet, der einer Position auf der Achse der Anordnungen entspricht. Die Berührung kann in diesem Fall durch einen Finger oder Stift erfolgen, der gegen die Oberfläche drückt. Andere Konfigurationstypen für die Erfassung des Sensorsignals sind ebenfalls bekannt.
Die reflektierende Anordnung besteht aus einer akustisch partiell reflektierenden Struktur, die ein eingraviertes oder erhabenes Oberflächenmerkmal oder ein Merkmal mit abweichenden Wellenausbreitungseigenschaften sein kann, das eine partielle Barriere bildet. Theoretisch können diese Strukturelemente in jedem Bereich gebildet werden, in dem bedeutende Wellenenergie vorliegt. Hat eine Welle Oberflächenenergie, können folglich. Oberflächenmerkmale verwendet werden. Ist die Wellenenergie versenkt, müssen diese Barrieren in das Substratmaterial eindringen. Haben Wellen Oberflächenenergie, können die reflektierenden Anordnungen somit an der Oberfläche ausgebildet werden und, sofern Wellenenergie auf beiden Seiten des Substrats vorhanden ist, können diese reflektierenden Anordnungen auf einer oder beiden Seiten des Substrats angeordnet werden. Da der Berührungssensor generell vor einem Anzeigegerät angeordnet wird und die reflektierende Anordnung generell nicht optisch unsichtbar ist, werden die reflektierenden Anordnungen im Allgemeinen an der Peripherie des Substrats außerhalb des aktiven Sensorbereichs angeordnet und unter einer Blende verborgen bzw. geschützt.
Es gibt eine Reihe verschiedener Typen der akustischen Wellenausbreitung, die durch massive nichtpiezoelektrische Substrate wie Glas unterstützt werden. Akustische Wellenausbreitungstypen mit vertikalen, d.h. in Richtung der Dicke, und longitudinalen, d.h. in Richtung der Wellenbewegung verlaufenden Komponenten werden im Folgenden als VLCW, einem Typus der akustischen Oberflächenwellen (SAW), bezeichnet. Diese VLCW sind in Substraten endlicher Dicke entweder Quasi-Rayleigh-Wellen, deren Oberflächenenergie über endliche Entfernungen primär auf eine einzige Oberfläche beschränkt ist, oder Lamb-Wellen, die Oberflächenenergie auf der vorderen und hinteren Oberfläche eines Substrats aufweisen. Über längere Entfernungen wird deutlich, dass echte Quasi-Rayleigh-Wellen eine symmetrische Lamb-Wellen-Komponente und eine antisymmetrische Lamb-Wellen-Komponente umfassen und dass diese Komponenten streuend sind, da sie unterschiedliche Phasengeschwindigkeiten aufweisen. In umsetzbaren Systemen sind die Oberflächenwellen daher über lange Entfernungen nicht wirklich auf eine einzige Oberfläche beschränkt und können Artefakte erzeugen. Diese werden im Folgenden näher betrachtet.
Ein Berührungssensor, der mit Quasi-Rayleigh-Wellen arbeitet, ist zwar hochempfindlich. Doch kann dieser Betriebsmodus hohe oder sogar exzessive Empfindlichkeit gegenüber Schmutzstoffen oder anderen an der aktiven Oberfläche des Berührungstabletts anliegenden Materialien mit sich bringen. Die exzessive Empfindlichkeit für Verunreinigungen ist die Folge der Begrenzung der Wellenenergie auf die begrenzende Oberfläche bzw. deren unmittelbare Nähe. Folglich kann ein Großteil der Energie der Quasi-Rayleigh-Wellen schon durch geringfügige Oberflächenverunreinigungen absorbiert werden. Die weitgehende oder totale Absorption der Wellenenergie durch Verunreinigungen, Dichtmittel oder andere an der Platte anliegende Materialien verursacht die Bildung akustischer Schatten oder toter Zonen entlang der Achsen, die die Verunreinigungen durchkreuzen. Obgleich Berührungssensoren des Quasi-Rayleigh-Typus hohe Berührungsempfindlichkeit aufweisen, unterliegen sie daher auch der Schattenbildung im Falle einer bedeutenderen Verunreinigung im aktiven Bereich, wodurch die Lokalisierung einer Berührung auf einer Achse oder beiden Achsen des Sensors verhindert wird. Ein mit Quasi-Rayleigh-Wellen arbeitender Berührungspositionssensor kann eine Berührung nicht lokalisieren, wenn sich eine oder beide Koordinaten auf einer geblendeten Achse befinden.
Scherwellen sind Körperwellen, die sich ebenfalls in Substraten endlicher Dicke ausbreiten. Im Stand der Technik bekannte und in Berührungssensoren eingesetzte Scherwellen sind Wellen der Ordnung Null, was bedeutet, dass keine Knotenebene das Substrat durchquert und die volumetrische Wellenenergie einheitlich ist. Da Scherwellen durch die gesamte Dicke des Substrats über Energie verfügen, absorbieren geringfügige Oberflächenverunreinigungen nicht die gesamte Wellenenergie und erzeugen somit keinen vollständigen Schatten. Daher sind Scherwellen-Sensoren in verunreinigten Umgebungen unempfindlicher. Theoretisch sind auch komplexere Wellen mit multiplen, ein Substrat durchquerenden Knotenebenen bekannt, doch gelten diese im Allgemeinen als komplexe Störwellen ohne praktischen Nutzen für die Berührungsmessung oder dergleichen. Daher wird ihr Einsatz in Berührungspositionssensoren gemieden bzw, im Falle der Störung eliminiert. Diese komplexen Wellen weisen bestimmte Eigenschaften auf, die denen horizontal polarisierter Schwerwellen der Ordnung Null oder einfach Schwerwellen ähneln. Doch weisen sie auch andere deutlich abweichende Eigenschaften auf. Diese Wellen werden im Folgenden als horizontal polarisierte scherwellenartige Wellen höherer Ordnung oder HOHPS-Wellen bezeichnet. Solche Wellen weisen hohe Abhängigkeit von den Substrateigenschaften und hohe Empfindlichkeit gegenüber der Konfiguration auf. Insbesondere ist diesen Wellen mit einfachen Scherwellen die Eigenschaft gemeinsam, dass die Wellenenergie durch die Masse des Substrats übertragen wird.
Das Wellenmuster bekannter akustischer Berührungssensoren wird entlang der Achse der übertragenden reflektierenden Anordnung gestreut, durchquert das Substrat und wird dann durch ein weiteres reflektierendes Gitter rekombiniert, z.B. zu einer sich axial ausbreitenden Welle, die entsprechend dem durch das Substrat genommenen Weg zeitlich gestreut ist, und in einer nicht mit der übertragenen Welle parallelen Richtung einem empfangenden Wandler zugeführt, der die Welle empfängt und in ein elektrisches Signal für die Weiterverarbeitung wandelt. Gemäß diesem System sind daher nur zwei Wandler pro Achse erforderlich. Aufgrund des antiparallelen Pfads entspricht die Zeitverzögerung einer Störung des elektrischen Signals einer durch die Welle zurückgelegten Entfernung, welche ihrerseits eine Beziehung zur axialen Entfernung vom Wandler entlang den reflektierenden Anordnungen aufweist, welche die Welle vor Eintritt in den aktiven Bereich des Substrats zurückgelegt hat. Der Ort der Berührung wird durch Detektion eines gegenüber der normalen empfangenen Wellenform gedämpften Signals bestimmt. So kann für jede Achse eine Entfernung und somit bei zwei orthogonalen Achsen eine unverwechselbare Koordinate für die Dämpfung bestimmt werden. Akustische Berührungspositionssensoren dieses Typus sind aus den U.S.-Patentschriften 4,642,423, 4,644,100, 4,645,870, 4,700,176, 4,746,914 und 4,791,416 bekannt.
Die EP 0 190 734 hat die gleiche Priorität wie die erwähnte U.S.-Patentschrift 4,746,914 und zeigt ein akustisches Gerät in Form eines Wellenberührungsfeld-Systems, welches dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht. Dieses Dokument bildet die Grundlage für den Oberbegriff des Anspruchs 1. Das bekannte System verwendet reflektierende Anordnungen für die Wandlung der vertikal polarisierten Transversalwellen. Diese Anordnungen reflektieren nicht die horizontal polarisierten Komponenten der Wellen, welche die uneinheitliche volumetrische Energiedichte entlang der in Normalenrichtung zur Oberfläche verlaufenden Achse aufweisen.
Für jede Achse wird ein Standardsignal durch Verbindung eines piezoelektrischen Wandlers mit dem plattenförmigen Bauteil außerhalb des aktiven Bereichs an den Wandler übermittelt, um eine Welle zu erzeugen, die sich entlang einer Achse ausbreitet. So werden Oberflächenwellen zum Beispiel im Allgemeinen durch den Oberflächenbereich des Substrats auf der Seite, die berührungsempfindlich sein soll, gekoppelt. Die reflektierende Anordnung im Pfad der Welle, die der Ablenkung der Welle in den berührungsempfindlichen Bereich dient, umfasst eine Reihe beabstandeter Oberflächenunterbrechungen, die um eine Ganzzahl von Wellenlängen der durch den übertragenden Wandler erzeugten Wellen beabstandet und zur Achse in einem Winkel von 45 Grad angeordnet sind, d.h. in der Richtung der Wellenausbreitung. Somit erzeugt die reflektierende Anordnung eine reflektierte akustische Oberflächenwelle, die sich in einem Winkel von 90 Grad zum ursprünglichen Abstrahlwinkel durch den aktiven Bereich des Substrats ausbreitet.
Wie in 1A und 1C dargestellt, lassen sich akustische Wellen mit einer bestimmten Kopplungseffizienz durch einen Wandler in ein Berührungstablett übertragen, wobei der Wandler auf einem Keil angeordnet ist, der seinerseits auf der Berührungsfläche der Platte angeordnet ist, und der Wandler in die gezeigte Richtung vibriert, um eine Körperdruckwelle zu erzeugen, die sich im Keil ausbreitet und durch die Grenzfläche zwischen Keil und Substrat gewandelt wird, um im Berührungstablett eine akustische Oberflächenwelle zu generieren, d.h. eine Welle mit vertikalen und longitudinalen Komponenten (VLCW). Der Keil ist auf der Platte angebracht, und somit bleiben die Rückseite bzw. inaktive Seite des Substrats und dessen Kanten frei von Leitungen oder kritischen Komponenten. Außerdem ist der Bereich des Substrats, in dem die Wellenenergie in Form von Quasi-Rayleigh-Wellen vorliegt, gegenüber der Anbringung auf der gegenüberliegenden inaktiven Oberfläche unempfindlich. Kopplungskeile bestehen typischerweise aus Plastik und werden auf eine Glasscheibe montiert. Der Wandler, der im Allgemeinen ein piezoelektrisches Element mit elektrisch leitenden Unterlagen an zwei dem großen Bereich gegenüberliegenden Stirnseiten ist, wird durch ein dazwischen liegendes leitfähiges Element mit dem aus Plastik bestehenden Keil verbunden. Sodann wird der Keil mitsamt dem Wandler mit dem Glassubstrat des Berührungstabletts, dem leitfähigen Zwischenelement und der gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen Unterlage, welche an die Stromversorgung angeschlossen ist, verbunden.
Es gilt allgemein als vorteilhaft, für den Empfang der abfühlenden Welle einen einzigen Wandler für die Wandlung der Welle in ein elektrisches Signal vorzusehen, in dem die Berührungsposition durch zeitliche Schwankungen des Signals kodiert wird. Zwar ließe sich ein Wandler vorsehen, dessen Länge der vollen Länge des Substrats entspricht, doch erfordert dies einen großen Wandler. Statt dessen lehrt der Stand der Technik eine umgekehrte Übertragungstechnik, wobei die abfühlende Welle in eine Oberflächenwelle multiplexiert wird, die auf einen kleinen empfangenden Wandler gerichtet ist. Somit werden in einem Bereich außerhalb des aktiven Bereichs die Wellen wieder durch eine ansonsten identische reflektierende Anordnung reflektiert, welche beabstandete Unterbrechungen bei –45° gegenüber dem Winkel der Wellenausbreitung aufweist, wodurch das räumlich gestreute Signal in ein einziges Wellenformmuster multiplexiert wird, welches sich antiparallel zur übertragenen akustischen Oberflächenwelle ausbreitet, welche durch einen anderen Wandler detektiert wird. In bekannten Systemen liegt die Erregungsfrequenz im Allgemeinen bei ca. 5MHz oder 5,5MHz, und die Dicke des plattenförmigen Bauteils liegt typischerweise, sofern dieses aus Natronkalkglas hergestellt wurde, im Bereich 0,090" [2,286 mm] bis 0,125" [3,175 mm].
Der Stand der Technik lehrt darüber hinaus den Einsatz eines einzigen Wandlers für sowohl die Übertragung der Welle als auch den Empfang der abfühlenden Welle mittels einer einzigen reflektierenden Anordnung, die eingesetzt wird, um die Welle zu streuen und zu rekombinieren. Solche Systeme verwenden daher eine reflektierende Kante auf der der reflektierenden Anordnung gegenüberliegenden Seite. Folglich strömt die SAW-Welle zweimal durch den aktiven Bereich mit folglich erhöhter Wellenabsorption durch die Berührung, aber auch insgesamt erhöhter Signaldämpfung aufgrund der Reflektion und des zusätzlichen Passierens durch den aktiven Bereich des Substrats. So kann die SAW-Welle von einer Kante des Substrats parallel zur Achse des übertragungs-reflektierenden Gitters reflektiert und durch das Substrat zurück auf die reflektierende Anordnung reflektiert werden und ihren Weg zurück zum Wandler nehmen. Der Wandler ist in diesem Falle darauf ausgelegt, zu den geeigneten Zeitpunkten sowohl als Sender als auch als Empfänger zu dienen. Ein zweiter Wandler, eine zweite reflektierende Anordnung und zweite reflektierende Kante werden für eine in rechtem Winkel verlaufende Achse vorgesehen, um die Bestimmung der Koordinaten einer Berührung zu ermöglichen.
Ein verwandtes System sieht einen einzigen Wandler vor, der eine abfühlende Welle erzeugt, um Berührung auf zwei Achsen zu detektieren, wobei dieser Wandler sowohl die akustische Welle erzeugt als auch die Welle von beiden Achsen empfängt. In diesem Fall ist der Bereich, in dem Berührung abzufühlen ist, im Allgemeinen länglich, so dass die längste charakteristische Verzögerung auf einem Pfad kürzer ist als die kürzeste charakteristische Verzögerung auf dem zweiten Pfad.
Adler bezieht sich in US Re. 33,151, auf ein berührungssensitives System zur Bestimmung der Position einer Berührung entlang einer Achse auf einer Oberfläche. Ein SAW-Generator wird mit einem plattenförmigen Substrat gekoppelt, um einen Stoß von Wellen zu erzeugen, die durch eine Anordnung umlenkender Gitter in einen aktiven Bereich des Systems umgelenkt werden. Die Quasi-Rayleigh-Wellen, die den aktiven Bereich durchqueren, werden ihrerseits durch Gitter zu einem Leistungswandler umgelenkt. Die umlenkenden Gitter sind in einem Winkel von 45° gegenüber der Ausbreitungsachse angeordnet. Der Berührungsort wird durch Analyse einer selektiven Dämpfung der empfangenen Wellenform im Zeitbereich bestimmt, wobei jede charakteristische Verzögerung einem Ort auf der Oberfläche entspricht. Die Gitterelemente sind in einem Winkel von 45° angeordnet und mit ganzzahligen Vielfachen der Quasi-Rayleigh-Wellenlänge beabstandet, wobei einzelne Elemente tiefergelegt sind, um eine in etwa konstante SAW-Leistungsdichte im gesamten aktiven Bereich zu erzeugen. Die Abstände zwischen den Gittern nehmen mit zunehmender Entfernung entlang der Ausbreitungsachse vom Wandler ab, wobei der Mindestabstand eine Wellenlänge der übertragenen Welle ist. Die US-Patentschriften 5,260,521, 5,243,148, 5,177,327, 5,162,618 und 5,072,427 schlagen für verschiedene Wellentypen vor, reflektierende Elemente unterschiedlicher Höhe vorzusehen, um das Verhältnis zwischen reflektierter Wellenenergie und unreflektierter Wellenenergie zu kontrollieren. Solche Anordnungen variabler Höhe erfordern sorgfältige Kontrolle der Verteilung des Anordnungselement-Materials bei der Herstellung des Wandlers.
Brenner et al. verweisen in der US-Patentschrift 4,644,100 auf ein berührungsempfindliches System, welches akustische Oberflächenwellen einsetzt, die sowohl für den Ort als auch für die Größe einer Störung der SAW empfindlich sind. Das System gemäß US 4,644,100 ähnelt in seiner Ausführung dem System gemäß US Re. 33,151, in soweit es die Amplitude einer empfangenen Welle bestimmt und mit einem gespeicherten Referenzprofil vergleicht.
Die Optimierung der Leistung eines Berührungspositionssensors gemäß den vorstehenden Patenten gestaltet sich schwierig, weil die Berührungsempfindlichkeit und die Mindestdicke des Berührungstabletts keine unabhängig wählbaren Variablen sind. Um eine Quasi-Rayleigh-Welle in einem Berührungstablett verminderter Dicke zu verwenden, wobei die anderen Abmessungen gleich bleiben, muss die Wellenlänge gemindert werden, um die Begrenzung auf eine einzige Oberfläche im aktiven Bereich des Substrats zu gewährleisten. Es ist für Quasi-Rayleigh-Wellen charakteristisch, dass ihre Begrenzungstiefe mit der Wellenlänge korreliert, wobei die Begrenzungstiefe sich mit abnehmender Wellenlänge vermindert. Folglich ist die Welle auf eine durch die Oberfläche definierte flachere Region begrenzt, und der Anteil der durch ein gegebenes absorbierendes Medium an der Oberfläche absorbierten Wellenenergie ist in etwa um den Betrag des umgekehrten Quadrats der Wellenlänge vermindert. Somit können Quasi-Rayleigh-Wellen-Berührungssensoren selbst bei relativ dicken Platten als für manche Anwendungen unangemessen empfindlich gelten. Die Reduzierung der Plattendicke führt somit zu Berührungssensoren, die sogar noch empfindlicher gegenüber Oberflächenverunreinigungen und anderen anliegenden Materialien sind. Umgekehrt lehrt der Stand der Technik, dass die Minderung der Empfindlichkeit durch Erhöhung der Wellenlänge der Quasi-Rayleigh-Welle zu erhöhter Dicke und erhöhtem Gewicht des Tabletts führt.
Oberflächenwellen mit vertikalen und longitudinalen Komponenten, die aufgrund der Dicke des Substrats beträchtliche Energie aufweisen, bezeichnet man als Lamb-Wellen. Systeme, die diese Wellen verwenden, um die Berührungsposition zu detektieren, sind in US 5,072,427 und US 5,162,618 beschrieben. Wie bereits dargestellt, sind Lamb-Wellen streuend und variieren in Phase und Geschwindigkeit, so dass verschiedene Lamb-Wellen, die sich in einem Substrat ausbreiten, einander überlagern. Deshalb umfassen Systeme, die Lamb-Wellen einsetzen, auch Elemente zur Trennung oder Eliminierung unerwünschter oder überlagernder Ausbreitungsmodi.
So ist es z. B. bekannt, Elemente der reflektierenden Anordnungen auf beiden Seiten des Substrats zu positionieren, um durch Unterscheidung zwischen der Phase der Anordnung, d.h. der Platzierung und Beabstandung der Elemente auf der oberen und unteren Oberfläche des Substrats, die Selektion zwischen symmetrischen Wellen der Ordnung Null und antisymmetrischen Wellen der Ordnung Null zu erleichtern.
Akustische Berührungspositionssensoren, die akustische Wellen gemäß den vorstehend bezeichneten Patentschriften einsetzen, weisen eine Reihe von Problemen auf, die besser zu verstehen sind, sobald man den Charakter der akustischen Oberflächenwelle, die in diesen Sensoren eingesetzt wird, eingehender betrachtet. Besteht das Berührungstablett wie in den vorstehend genannten Patentschriften aus einem einheitlichen, nicht-piezoelektrischen Medium und ist die akustische Welle auf eine einzige Oberfläche bzw. deren Nähe begrenzt, z.B. die äußere Oberfläche des Berührungstabletts, bezeichnet man die akustische Oberflächenwelle als eine Rayleigh-Welle. Diese Wellen weisen X- und Z-Komponenten auf, so dass sich die gestörten Partikel elliptisch in der Ebene X-Z bewegen. Es ist charakteristisch für diese Wellen, das die volumetrische Wellenenergie mit der Tiefe rasch abnimmt, so dass die Wellenenergie entlang der Z-Achse im Wesentlichen auf die Oberfläche des Berührungstablettes bzw. auf deren Nähe begrenzt ist.
Theoretisch existieren echte Rayleigh-Wellen nur in einem Medium unbegrenzter Dicke. Wellen in einem einheitlichen, nicht-piezoelektrischen Medium endlicher Dicke, die im Wesentlichen auf eine einzige Oberfläche begrenzt sind, wie in 1A bis 1D dargestellt, bezeichnet man genauer als Quasi-Rayleigh-Wellen. Ist ein ausreichend langer Ausbreitungsweg in einem Medium endlicher Dicke gegeben, dann ist die Wellenenergie von Rayleigh-Wellen nicht auf eine einzelne Oberfläche bzw. deren Nähe begrenzt, sondern sie bewegt sich zwischen den Außenflächen der Platte hin und zurück. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Wellenenergiekomponenten zwar klein sind, sich jedoch durch die Dicke des Materials erstrecken, da sie aus mindesten einer symmetrischen und einer antisymmetrischen Wellenform bestehen, deren jede sich mit unterschiedlicher Phasengeschwindigkeit bewegt und somit konstruktive und destruktive Störungen an verschiedenen beabstandeten Orten auf den Oberflächen des Substrats hervorruft, d.h. an Orten auf den Oberflächen, die konstruktive oder destruktive Interferenz der beiden Wellenkomponenten aufweisen. Bereiche geringer Oberflächenwellenenergie sind gegenüber störenden Einwirkungen, z.B. Berührung, unempfindlich, während Bereiche relativ hoher Oberflächenenergie übermäßig empfindlich sein und zur Bildung von Artefakten beitragen können.
Liegt die Dicke eines Berührungsfeldsubstrats zum Beispiel bei 2 Rayleigh-Wellenlängen oder weniger, sind die von den Quellenwandlern ausgehenden Wellen vom Typ Lamb-Welle und deutlich unterscheidbar vom Quasi-Rayleigh- Wellentyp sowie von anderen akustischen Oberflächenwellen-Typen (SAW-Typen), die in 1E und 1F dargestellt sind. Lamb-Wellen existieren in zwei Gruppen verschiedener Ordnungen, deren jede sich unabhängig von den anderen ausbreitet. Eine Gruppe ist durch eine Teilchenverlagerung charakterisiert, die im Verhältnis zur Medianebene des Tabletts symmetrisch verläuft. Die andere Gruppe der Lamb-Wellen ist durch eine Teilchenverlagerung charakterisiert, die im Verhältnis zur Medianebene antisymmetrisch ist. Im Allgemeinen unterscheidet sich eine bestimmte Ordnung innerhalb der symmetrischen Lamb-Wellengruppe in Phase und Gruppengeschwindigkeit von der identischen Ordnung der antisymmetrischen Lamb-Wellengruppe. Insbesondere werden bei ausreichender Plattendicke, d.h. einer Dicke gleich oder größer als 2 Rayleigh-Wellenlängen, grundsätzlich zwei Typen mit etwa gleicher Amplitude erregt. Dies sind symmetrische Lamb-Wellen und antisymmetrische Lamb-Wellen jeweils der Ordnung Null. Wie in 1E und 1F dargestellt, sind die symmetrischen und antisymmetrischen Lamb-Wellen nicht auf eine einzige Oberfläche des Berührungstabletts begrenzt, sondern erstrecken sich durch die Platte bis zur gegenüberliegenden Oberfläche derselben. Befinden sich die Wellen jedoch „in Phase", also dem Zustand, der anfänglich an und in der Nähe der Quelle der Wellen herrscht, wo die Wellen sich konstruktiv auf einer Oberfläche beeinflussen und auf der anderen Oberfläche destruktiv beeinflussen, verbinden sich die beiden Lamb-Wellen und bilden eine Quasi-Rayleigh-Welle, wie aus einem Vergleich der 1E und 1F mit 1D ersichtlich. Sowie die beiden Lamb-Wellentypen sich weiter von der Quelle entfernen, kommt es infolge der unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten und sich daraus ergebenden Phasendifferenzen zwischen ihnen zu einer scheinbar vollständigen Verlagerung der Wellenenergie von der Außerlfläche, auf welcher der die Welle erzeugende Wandler eingebracht ist, zu der gegenüberliegenden Oberfläche. Diese Verlagerung von Energie zwischen den äußeren Oberflächen der Platte erfolgt in regelmäßig beabstandeten Intervallen und macht ein Berührungstablett, dessen Abmessungen ausreichend groß sind, damit diese Verlagerung auftritt, für einen Berührungspositionssensor generell ungeeignet, soweit beide Wellentypen vorhanden sind. Wie in den vorstehend genannten Patentschriften vorgeschlagen, können diese Wellentypen ausgefiltert und die unerwünschten Typen eliminiert werden.
Im Falle eines Substrats mit einer Dicke von ca. 4 Rayleigh-Wellenlängen verbleibt die meiste Wellenenergie einer Quasi-Rayleigh-Welle an einer einzigen Oberfläche, so dass ein Substrat begrenzter Größe aufgrund der Wellenstreuung über dessen gesamte Oberfläche ohne tote Zonen empfindlich ist. Daher arbeiten Berührungspositionssensoren, die akustische Oberflächenwellen, insbesondere Quasi-Rayleigh-Wellen, einsetzen, mit relativ dicken Platten, d.h. Platten mit einer Dicke, die drei- oder viermal so groß ist, wie die Wellenlänge der sich darin ausbreitenden akustischen Oberflächenwelle, wobei die Quasi-Rayleigh-Wellen auf eine einzige Oberfläche bzw. deren Nähe begrenzt sind.
Ein Berührungssensor gemäß den vorstehend genannten Patentschriften zu Berührungssensoren mit Rayleigh-Wellen-Betrieb wäre bei einem dünnen Glassubstrat, z.B. einem 0,045" [1,143 mm] dicken Natronkalkglas mit einer Betriebsfrequenz von ca. 5 MHz, nicht funktionsfähig, weil eine Berührung in einem Bereich der einen Außenfläche, bei welcher eine vollständige Verlagerung der Wellenenergie auf die gegenüberliegende Außenfläche erfolgt ist, die Welle nicht detektierbar stört und somit den Nutzen des Sensors für den vorgesehenen Zweck beschränkt. Um eine Welle zu erhalten, die praktisch auf eine einzige Fläche begrenzt ist, muss die Dicke des Berührungstabletts mindestens drei- bis viermal der Wellenlänge der in das Substrat geleiteten Welle entsprechen, wobei die Länge und Breite des Berührungstabletts ebenfalls begrenzt sind. Das Substrat kann Abmessungen von ca. 25 bis über 1000 Wellenlängen der SAW-Welle haben, was Substrate von ca. 1,5 bis 70 cm mit einer Betriebswellenlänge von 0,0574 cm und einer Betriebsfrequenz von 5,53 MHz gestattet.
So ist es bekannt, anstelle einer Quasi-Rayleigh-Welle eine Lamb-Welle der Ordnung einzusetzen, die durch das massive plattenartige Material gesendet wird. Eine solche Welle breitet sich durch die gesamte Dicke des Substrats aus, und das System ist auf beiden Oberflächen der Platte berührungsempfindlich. Dies bedingt Schwierigkeiten bei der Anbringung des Substrats, das im Allgemeinen ein transparentes Substrat für die Platzierung vor einer Elektronenstrahlbildröhre ist. Bedingt durch diese Empfindlichkeit auf beiden Plattenoberflächen ist außerdem der Signal-Geräusch-Abstand aufgrund der Wellenenergie auf sowohl einer aktiven als auch einer inaktiven Oberfläche reduziert. Zusätzlich sind vertikale Komponenten der Transversalwellenausbreitung hochempfindlich gegenüber Dämpfung durch kleine Mengen Wasser, wodurch Artefakte entstehen können.
In einem Lamb-Wellensystem der Ordnung Null ist die maximale Dicke des Substrats auf in etwa das zweifache der Wellenlänge der erregten Welle begrenzt. Dickere Substrate würden unter vergleichbaren Bedingungen solche Wellen als Quasi-Rayleigh-Wellentypen ausbreiten, und substantielle Wellenenergie wäre nicht in der gesamten Substratstärke gegeben. Dünneres Glas weist eine größere Differenz der Phasengeschwindigkeit der in ihm sich ausbreitenden symmetrischen und antisymmetrischen Lamb-Wellen auf als ein dickeres Substrat, welches die vereinfachte und selektive Filterung von Wellentypen gestattet, wie in Patentschrift US 5,072,427 vorgeschlagen.
Es ist bekannt, aus einer Scherwelle der Ordnung Null durch Reflektion der Scherwelle mittels einer Anordnung paralleler Unterbrechungen, die auf der Ausbreitungsachse der Scherwelle bei ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge des gewünschten Lamb-Wellentyps im Substrat beabstandet sind, eine Lamb-Welle zu erzeugen, wobei die reflektierenden Elemente in einem Winkel von: θA = arcan (VL/V2) positioniert sind, wobei θ_A der Winkel der konvertierenden Elemente zur X-Achse, V_L die Phasengeschwindigkeit der erwünschten Lamb-Welle und V₂ die Geschwindigkeit der horizontal polarisierten Scherwelle der Ordnung Null ist, welche sich entlang der Anordnungsachse ausbreitet.
Ebenso lässt sich eine sich ausbreitende horizontal polarisierte Scherwelle der Ordnung Null in eine Lamb-Welle konvertieren, und zwar durch Anordnungen, die auf beiden Oberflächen des Substrats Elemente aufweisen. Dies erleichtert die Selektion zwischen der symmetrischen und der antisymmetrischen Lamb-Welle der Ordnung Null mittels der relativen Phase der Anordnung auf der oberen und unteren Oberfläche des Substrats. Die Lamb-Welle wird durch eine reflektierende Anordnung mit Elementen auf einer oder beiden Seiten des Substrats auf ein gegenüber liegendes empfangendes Wandlersystem reflektiert oder kann von einer distalen Kante des Substrats reflektiert und zurück durch den aktiven Bereich übertragen werden, wo sie entlang der Anordnungsachse als horizontal polarisierte Scherwelle der Ordnung Null reflektiert wird und durch einen kombinierten Erregungs- und Empfangswandler detektiert werden kann.
Es wurde auch vorgeschlagen, Scherwellen der Ordnung Null in ein Substrat zu leiten, die durch eine reflektierende Anordnung in Lamb-Wellen verwandelt werden, welche dann durch eine reflektierende Anordnung wieder zurück verwandelt werden in Scherwellen zwecks Detektion der Komponente der Ordnung Null, siehe US 5,072,427 . Es wird auch angenommen, dass Exzec, Inc. einen Berührungspositionssensor herstellt, in dem ein Wandler eine Lamb-Welle erzeugt, die durch eine reflektierende Anordnung in eine Scherwelle verwandelt wird, wobei die Scherwellen-Komponente der Ordnung Null zwecks Detektion wieder zurück in eine Lamb-Welle verwandelt wird.
Auch Berührungssensoren des Scherwellentyps sind bekannt. Diese Systeme arbeiten mittels Erregung nicht-streuender Scherwellen der Ordnung Null in einem Substrat. Eine Berührung absorbiert nur einen geringen Prozentsatz der durch die berührte Oberfläche aufgefangenen Scherwellenenergie. Dies führt zu relativ geringer Empfindlichkeit, aber verbesserter Resistenz gegen schattenbildende Artefakte. Der Prozentsatz der durch eine gegebene Berührung absorbierten aufgefangenen Energie ist in der Tat in etwa achtmal größer für eine akustische Oberflächenwelle als für eine vergleichbare horizontal polarisierte Scherwelle der Ordnung Null bei praktikabler Dicke des Berührungstabletts. Ein solches System für horizontal polarisierte Scherwellen der Ordnung Null wird in der US 5,177,327 vorgeschlagen. Siehe auch Knowles T.J. "46.6: A Pressure-Responsive-Touch-input Device", SID 92 Digest, (1992) 5.920–923; Christensen R. und Masters T.," Guided Acoustic Wave: Newest Wave in Touch Technology", ECN (Januar 1995), S.13 ff.
Eine Erhöhung der Dicke des Substrats erleichtert die Ausbreitung von HOHPS-Wellen, die bislang als parasitär galt. Daher weisen bekannte Scherwellen-Berührungssensoren ausdrücklich begrenzte Substratdicke auf, um diese HOHPS-Wellentypen sowie andere Wellentypen, darunter Quasi-Rayleigh-Wellen, begrenzen oder eliminieren zu helfen. Horizontal polarisierte Scherwellen höherer Ordnungen sind streuend, so dass eine Konfiguration, die Wellenenergie-Komponenten dieser Typen unterstützt, bisher als schwierig oder nicht funktionsfähig gegolten hat. Theoretisch würden vermischte HOHPS-Wellen im aktiven Bereich des Berührungssensors einem Muster folgen, das dem ähnelt, welches Lamb-Wellen aufweisen, die aufgrund der Streuung der verschiedenen Komponenten auf der Substratoberfläche „tote Zonen" aufweisen.
Berührungssensoren, die mit horizontal polarisierten Scherwellen der Ordnung Null arbeiten, können beliebig dünn sein, begrenzt nur durch die Strukturbeständigkeit. Es ist bekannt, zwecks Begrenzung möglicherweise überlagernder Typen die Dicke des Substrats bei einem mit horizontal polarisierten Scherwellen der Ordnung Null arbeitenden Berührungspositionssensor geringer auszulegen als die zur Unterstützung von Quasi-Rayleigh-Wellen erforderliche Dicke, denn je dünner das Substrat, desto größer die partielle Empfindlichkeit der horizontal polarisierten Scherwelle gegenüber einer Oberflächenberührung.
Gemäß US 5,177,327 wird ein dünnes Glassubstrat, z.B. mit einer Dicke von 0,040" [1,016 mm] erstrebt, da es höhere Empfindlichkeit für berührungsverursachte Dämpfung der horizontal polarisierten Scherwellen der Ordnung Null im aktiven Bereich aufweist, ein geringes Gewicht hat und sich einfacher biegen lässt als dickeres Glas von z.B. 0,090" [2,286 mm), welches oft in Berührungssensoren des Quasi-Rayleigh-Wellentyps verwendet wird. Jedoch ist 0,090"-Glas leichter zu formen und weniger zerbrechlich als 0,040" dickes Glas.
Knowles verweist in der US 5,329,070 auf einen mit horizontal polarisierten Scherwellen der Ordnung Null arbeitenden Berührungsortungssensor. Die US-Patentschrift 5,329,070 weist darauf hin, ein Vorteil des Einsatzes einer horizontal polarisierten Scherwelle der Ordnung Null liege darin, dass der Sensor beliebig dünn sein kann. In der Tat wird das Substrat bei einer Dicke von weniger als zwei Wellenlängen gehalten, um die Wellentypen höherer Ordnung oder Oberwellen zu unterdrücken. Um die Dicke des Substrats zwecks Erzielung höherer Festigkeit auf mehr als zwei Wellenlängen zu erhöhen, wird eine Rückenplatte mit einem Klebstoff aufgeklebt, der die Ausbreitung von Scherwellen nicht unterstützt, oder die Rückenplatte hat eine Scherwellenausbreitungsgeschwindigkeit, die größer ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Scherwelle im Substrat.
Es ist daher bekannt, dass horizontal polarisierte Scherwellen der Ordnung Null gegenüber akustischen Oberflächenwellen über mehrere Vorteile verfügen, die den geringeren Prozentsatz der gesamten durch eine Berührung absorbierten Energie kompensieren. Es ist jedoch bekannt, dass sich mit den vorgeschlagenen Umsetzungen schwer arbeiten lässt und diese wiederum ihre eigenen Schwierigkeiten und Beschränkungen mit sich bringen. Scherwellen sind nicht auf die Oberfläche des Substrats begrenzt, wie dies bei akustischen Oberflächenwellen der Fall ist, sondern erstrecken sich durch die gesamte Dicke des Substrats. Verunreinigungen oder sonstige an der Oberfläche eines Scherwellen-Berührungspositionssensors anliegende Materialien führen nicht zu toten Zonen oder bedeutenden Schatten entlang den Achsen, welche die betreffende Verunreinigung oder das Material durchkreuzen. Oberflächenwellen haben eine vertikale Transversalkomponente und werden großenteils durch Wassertröpfchen auf der Oberfläche absorbiert, während Scherwellen und scherenartige Wellen ohne vertikale Transversalkomponente nicht in bedeutendem Umfang Druckwellen in Wassertropfen an der Oberfläche aussenden und somit nicht die unerwünschte Empfindlichkeit gegenüber diesen Verunreinigungen aufweisen. Daher wird ein bedeutender Anteil der Wellenenergie durch den Ort einer Berührung oder eines Oberflächenartefakts hindurchströmen. Daher sind Berührungspositionssensoren mit Scherwellenbetrieb für den Einsatz in Umgebungen geeignet, in denen akustische Oberflächenwellensensoren dies möglicherweise nicht sind. Scherwellen-Berührungspositionssensoren sind außerdem auch gegenüber einer Berührung sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Oberfläche des Substrats empfindlich, während akustische Oberflächenwellensensoren nur für Berührung auf der Oberfläche des Substrats empfindlich sind, auf welcher der Wandler angeordnet ist. Überdies werden die im Stand der Technik beobachteten möglichen Verluste aufgrund von Luftdämpfung von VLCW in großen Substraten durch den Einsatz von Wellen ohne vertikale Transversalwellenkomponente vermieden, und liegen somit in einem Scherwellen-Berührungspositionssensor in geringerem Umfang vor als in einem akustischen Wellenberührungspositionssensor. Aufgrund dieser Faktoren sowie der Welleneigenschaften können vergleichbare Scherwellen größere Entfernungen zurücklegen als akustische Oberflächenwellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Akustische Vorrichtung, worin die horizontal polarisierte Welle vom Typ einer Scherwelle eine uneinheitliche volumetrische Energiedichte entlang einer Achse aufweist, die in Normalenrichtung zur Oberfläche verläuft; und
der Winkel der Elemente der reflektierenden Anordnung im Verhältnis zum Einfallswinkel der vertikal polarisierten Transversalwellen angepasst ist, um den Ausbreitungsmodus der genannten horizontal polarisierten Scherwelle, welche die genannte uneinheitliche volumetrische Energiedichte aufweist, zu bestimmen.
Der Scherwellen-Berührungssensor als Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung umfasst ein plattenförmiges Substrat, das eine horizontal polarisierte Scherwelle höherer Ordnung mit einer Ordnung größer als Null auszubreiten; einen Wandler, der eine Quellenwelle mit vertikalen und longitudinalen Komponenten erzeugt; Vorrichtungen zur Umwandlung von Teilen der Quellenwelle in eine horizontal polarisierte Scherwelle höherer Ordnung im Substrat, die sich entlang einer Achse ausbreitet, die sich von der Ausbreitungsachse der Quellenwelle aus dem Wandler unterscheidet, wobei die genannte horizontal polarisierte Scherwelle höherer Ordnung sich durch einen aktiven Bereich des Substrats ausbreitet und eine Berührung auf dem Substrat die Scherwelle detektierbar stört. In gleicher Weise kann eine weitere Welle oder Wellenkomponente durch das Substrat entlang einer Achse übertragen werden, die eine Ausbreitungsvektorkomponente aufweist, die gegenüber der ersten Welle normal ist, um die Koordinaten der Berührung oder des störenden Einflusses zu bestimmen. Das detektierte Merkmal der Berührung bzw. des störenden Einflusses kann ein Druck, ein akustischer Absorptionsfaktor, eine Vibration, eine Größe und/oder Form, eine Bewegung oder eine sonstige bekannte Eigenschaft sein, die eine messbare Störung der Welle erzeugt.
Zur vorliegenden Erfindung zählt auch ein System, das eine Pluralität von Wellentypen innerhalb eines Substrats erregt und die verschiedenen Vibrationsmodi selektiv filtriert, um die gewünschten Eigenschaften oder Modi der Vibration zu selektieren.
Die erfindungsgemäße Auswahl des Wellentyps erfolgt vorzugsweise durch eine Reflektoranordnung, z.B. mit dicht beabstandeten parallelen Unterbrechungen entlang der Achse der Wellenausbreitung vom Wandler, die sich in einem so gewählten Winkel befinden, dass der gewünschte Wellentyp in einem gewünschten Winkel abgestrahlt wird und die unerwünschten Typen in anderen Winkeln abgestrahlt werden. Die Erregung der Pluralität der Wellentypen erfolgt durch Übertragung einer Oberflächenwelle in das Substrat, die auf die reflektierende Anordnung auftrifft und in die Pluralität der Wellentypen umgewandelt wird. Da die Phasengeschwindigkeit der übertragenen Oberflächenwelle und der reflektierten unterschiedlichen Wellentypen sich unterscheiden, beträgt der Winkel der reflektierenden Anordnungen im Verhältnis zur Achse des Wandlers im Allgemeinen nicht ganz 45° für eine Reflektion im rechten Winkel, und der tatsächliche Winkel lässt sich empirisch auswählen, gemäß der Konfiguration der Vorrichtung oder den vorhergesagten Eigenschaften. Die Oberflächenwelle ist eine Welle mit vertikalen und longitudinalen Komponenten („VLCW"). Trifft eine VLCW auf ein reflektierendes Element, wird in Praxis eine Pluralität von Scherwellen, darunter horizontal polarisierte Scherwellen höherer Ordnung („HOHPS-Wellen"), mit verschiedenen Winkeln von der reflektierenden Anordnung abgestrahlt, wobei die Phasengeschwindigkeiten sich in etwa im Verhältnis des Quadrats der Ordnung der Welle zueinander verhalten. Daher wird der Ausbreitungsmodus der HOHPS-Welle durch den Winkel der reflektierenden Anordnung im Verhältnis zum Winkel des Auftreffens der VLCW sowie durch die Beabstandung der reflektierenden Elemente bestimmt, die als Streugitter dienen. Somit lässt sich eine Anzahl von Wellentypen erzeugen, die jeweils besondere Eigenschaften aufweisen, die selektiv ausgebeutet werden können. Die unerwünschten Typen werden durch physische und/oder elektronische Filterung und Gestaltung eliminiert, welche gegenüber anderen interferierenden Wellentypen nicht empfindlich ist. Gemäß vorliegender Erfindung werden HOHPS-Wellen des Typs 4 oder 5 bevorzugt, obgleich auch andere Typen eingesetzt werden können.
Werden Wellen nicht entlang eines vorbestimmten optimalen Pfades geführt, z.B. nicht-selektierte Scherwellentypen, haben sie im Allgemeinen eine längere Pfadlänge, bevor sie schließlich zum Wandler zurückkehren. Daher stören die nicht-selektierten Wellentypen generell nicht den Empfang der selektierten Typen, da sie nicht innerhalb des kritischen Zeitfensters zurückkehren und mit der Zeit sowie einer großen Anzahl von Reflektionen gedämpft werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System vorgesehen, das einen Wandler umfasst, der eine VLCW erzeugt, die in einem relativ dicken Substrat in einem Winkel, welcher normal zur Richtung der VLCW-Ausbreitung ist, in eine HOHPS-Welle umgewandelt wird. Nachdem diese als HOHPS-Welle das Substrat entweder einmal oder zweimal mit einer dazwischenliegenden Reflektion durchquert, wird die akustische Schwingung in eine VLCW zurückgewandelt, die sich normal zur HOHPS-Welle ausbreitet. Dieses System weist in etwa den gleichen Signal-Geräusch-Abstand auf wie ein vergleichbares Lamb-Scher-Lamb-Wellensystem mit halb so großer Substratdicke. Dies ist die Folge des größeren Anteils der Wellenenergie einer HOHPS-Welle an der Oberfläche im Vergleich zu einer Scherwelle der Ordnung Null, so dass die anteilige Absorption im gleichen Maße erhöht wird. Das VLCW-HOHPS-VCLW-System gemäß vorliegender Erfindung ist gegenüber Wassertropfen im aktiven Bereich des Substrats im Vergleich zu einem bekannten Aktivbereichssensor mit VLCW-Betrieb relativ unempfindlich.
Selbstverständlich umfasst der Umfang der vorliegenden Erfindung auch andere Wellentypen, die auf reflektierende Anordnungen übertragen werden und selektiv HOHPS-Wellen im Aktivbereich erzeugen, z.B. Lamb-Wellen.
GETRENNTER SENDER UND EMPFÄNGER
In einem Ausführungsbeispiel gemäß vorliegender Erfindung umfasst das Substrat eine erste Anordnung reflektierender Elemente für die Erzeugung einer Scherwelle entlang den ersten parallelen Pfadabschnitten, die zu einer zweiten Anordnung reflektierender Elemente führen, die auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats angeordnet sind. Diese Scherwelle wird durch Führung einer Welle mit vertikalen und longitudinalen Komponenten, insbesondere in Ausrichtung auf die Anordnung, erzeugt. Diese Ausrichtung wird vorliegend als Achse bezeichnet, wobei jedoch zu berücksichtigen ist, dass die Achse der Wellenübertragung nicht deckungsgleich der mechanischen Achse der Symmetrie der reflektierenden Anordnung entsprechen muss. Die erste Anordnung reflektierender Elemente ist auf einer Achse der Wellenausbreitung von einem ersten Wandler angeordnet, der eine Welle mit vertikalen und longitudinalen Komponenten in das Substrat leitet. In gleicher Weise ist die zweite Anordnung reflektierender Elemente auf einer Achse des Wellenempfangs durch einen zweiten Wandler angeordnet, der die Welle mit vertikalen und longitudinalen Komponenten empfängt, um ein für diese repräsentatives Signal bereitzustellen, durch welches die Position einer Berührung bestimmt werden kann.
UMGEKEHRTE REFLEKTION
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Anordnung reflektierender Elemente vorgesehen, um eine Welle mit vertikalen und longitudinalen Komponenten („VLCW") als horizontal polarisierte Scherwelle höherer Ordnung durch einen Bereich des Substrats auf eine Anordnung reflektierender Elemente auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats zu reflektieren. Auch sind reflektierende Bauteile vorgesehen, darunter eine erste reflektierende Kante neben der ersten Anordnung und eine zweite reflektierende Kante neben der gegenüberliegenden Anordnung. Die reflektierenden Elemente der ersten Anordnung reflektieren die VLCW als Scherwellen auf die erste reflektierende Kante, welche die Scherwellen ihrerseits über das Substrat durch eine zweite Anordnung reflektierender Elemente zur gegenüberliegenden reflektierenden Kante umlenkt. Die zweite reflektierende Kante lenkt die Wellen in die neben ihr angeordnete zweite Anordnung um, welche die Scherwellen ihrerseits in VLCW umwandelt, die zu einem empfangenden Wandler geführt werden. Die reflektierenden Elemente jeder Anordnung sind gegenüber einem direkten Reflektionssystem um 90° gedreht, um die Wellen zu ihren jeweiligen benachbarten Kanten umzuleiten.
Diese Konfiguration einer umgekehrten Reflektion gestattet, wie nachstehend beschrieben, die Anordnung eines für Wellentypen selektiven Filters außerhalb des berührungsempfindlichen Bereichs zwischen den reflektierenden Anordnungen sowie zwischen einer Anordnung reflektierender Elemente und einer benachbarten reflektierenden Kante, um die Selektionsfähigkeit der Vorrichtung hinsichtlich der Wellentypen zu verbessern. Selbstverständlich kann die reflektierende Kante selbst als Teil des typenselektiven Filters dienen. Das typenselektive Filter wird vorzugsweise exakt parallel im Verhältnis zur reflektierenden Anordnung beabstandet, um den korrekten Wellentyp zu verstärken. Anzumerken ist, dass in diesem Ausführungsbeispiel ein Teil der Welle durch das zweite Passieren der reflektierenden Anordnung zum Wandler zurückgelenkt wird, was wiederum die weitere Reflektion der Wellenenergie in einen aktiven Bereich der Vorrichtung durch die reflektierende Anordnung ermöglicht.
KOMBINIERTER ÜBERTRAGUNGS- UND EMPFANGSWANDLER
In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfassen die reflektierenden Bauteile eine einzige Anordnung reflektierender Elemente, die im rechten Winkel zu der Seite des Substrats angeordnet ist, auf der ein Wandler angeordnet ist, d.h. die Achse ist auf die Ausbreitungsachse der vom Wandler ausgesendeten Welle ausgerichtet. Das Substrat weist eine reflektierende Kante auf, wobei diese gegenüber der Anordnung reflektierender Elemente angeordnet ist. Die reflektierenden Elemente reflektieren eine akustische Oberflächenwelle, die vom Wandler als horizontal polarisierte Scherwelle höherer Ordnung auf die gegenüberliegende Kante des Substrats ausgestrahlt wird, die ihrerseits die Scherwellen im Wesentlichen des gleichen Typs wie die eintreffende Welle zurück auf die reflektierende Anordnung reflektiert. Die reflektierenden Elemente der Anordnung wandeln wiederum die reflektierten Scherwellen höherer Ordnung, die sich von der reflektierenden Kante des Substrats als Wellen mit vertikalen und longitudinalen Komponenten zurück zum Wandler ausbreiten, der nach Abfühlen der reflektierten Wellen ein für diese charakteristisches Signal erzeugt. Für jede Kante, für welche eine Berührungskoordinate zu bestimmen ist, kann ein Wandler zum Senden und Empfangen von Wellen mit vertikalen und longitudinalen Komponenten vorgesehen werden.
DREIFACHES TRANSITSYSTEM
Alternativ kann ein einziger Wandler vorgesehen werden, um eine Welle mit vertikalen und longitudinalen Komponenten auszusenden und zu empfangen, die sich auf zwei scheinlotrichtigen Achsen ausbreitet, wobei ein Bauteil vorgesehen ist, das beide Achsen durchquert, um eine Welle, die sich entlang der ersten Achse ausbreitet, auf die zweite Achse zu reflektieren und umgekehrt. Scherwellen werden von Kanten des Substrats mit minimalem, spürbarem Energieverlust reflektiert, d.h. die Reflektivität von Scherwellen ist gemessen am Wirkungsgrad hoch, wogegen eine akustische Oberflächenwelle bei der Reflektion bedeutende Verluste erleidet und die Signale darüber hinaus entsprechend der zurückgelegten Entfernung gedämpft werden. Deshalb ist ein solcher Aufbau mit einem einzigen SAW-Wandler weniger bevorzugt als ein Aufbau mit multiplen Wandlern. Außerdem muss im Falle des Aufbaus mit einem einzigen Wandler der längste Wellenpfad der ersten Achse kürzer sein als der kürzeste Wellenpfad der zweiten Achse. Dies bedeutet im Allgemeinen, dass der Wandler entlang der ersten Achse eine Länge aufweisen muss, die größer ist als die Länge entlang der zweiten Achse, um die Überlagerung von Wellen, welche sich entlang der ersten und zweiten Achse ausbreiten, zu vermeiden.
SUBSTRAT
Das plattenförmige Substrat besteht vorzugsweise aus gehärtetem Glas oder Opalglas, Kunststoff, Metall oder Keramik, wobei gehärtetes transparentes Natronkalkglas mit einer Dicke von 0,090" am meisten bevorzugt wird. Für den Einsatz vor einem Anzeigegerät wird im Allgemeinen ein transparentes Substrat bevorzugt. Unter Gegebenheiten, in denen Transparenz nicht erforderlich ist, d.h. wenn das Sensorsystem nicht als Berührungstablett vor einer Anzeige eingesetzt wird, kann ein Substrat aus Metall oder Keramik verwendet werden.
Das Substrat kann des weiteren als flache Scheibe ausgebildet sein, oder entlang einer oder beider Achsen als zylindrischer, sphärischer oder ellipsoider Abschnitt gebogen sein oder andere Konfigurationen ausweisen. In diesen nicht-flachen Ausführungsarten wird aufgrund der dreidimensionalen Geometrie der Normalzustand nicht unbedingt eine Welle sein, die sich normal im Verhältnis zur Sendeanordnung ausbreitet, und der gewünschte Ausbreitungswinkel kann sogar zwischen verschiedenen Abschnitten der Anordnung variieren. Somit muss der Winkel der Elemente der reflektierenden Anordnung nicht durchgängig parallel sein und kann geändert werden, um die gewünschte Funktionalität zu erzielen. Entsprechend lässt sich in Ausführungsbeispielen mit einem flachen Substrat die Ausbreitungsachse der Wellenkomponenten abwandeln, um eine erwünschte Konfiguration zu erreichen.
Anzumerken ist, dass auch andere Substrate für akustische Berührungssensoren eingesetzt werden können. Borsilikatglas bietet bestimmte Vorteile, darunter bei einem System mit SAW-Betrieb einen auf bis zu ca. 30 dB erhöhten Signal-Geräusch-Abstand gegenüber Natronkalkglas. Es wird davon ausgegangen, dass diese Zunahme des Signal-Geräusch-Abstands in Sensoren, die mit Scherwellen der Ordnung Null und höher arbeiten, zu beobachten ist.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht ein Borsilikatglassubstrat mit einer matten Rückseite für den Einsatz als Projektionsfläche für einen Bildprojektor und Berührungsfeldsensor mit Mikrospiegelvorrichtung („DMD") von Texas Instruments vor. Selbstverständlich können auch andere Bildprojektions-Techniken wie Flüssigkristallanzeigen (LCD) und Elektronenstrahlröhren (CRT) eingesetzt werden.
Ein Glassubstrat kann gehärtet sein, doch dürfen aufgrund der hohen Temperaturen bei der Härtung der Fritte, welche über der Glühtemperatur des Glassubstrats liegen, für die Ausbildung der Oberflächenmerkmale und dergleichen, z.B. der reflektierenden Elemente oder Filterelemente, keine Glasfritten verwendet werden.
SCHERWELLEN
Wie aus 2B ersichtlich, ist die in das Substrat 10 durch die reflektierende Anordnung eingeleitete Scherwelle 12 nicht auf eine einzige Oberfläche des Substrats 10 beschränkt, sondern erstreckt sich durch die gesamte Dicke des Substrats 10. Verschiedene Wellentypen werden erzeugt, und das System erzeugt vorzugsweise bedeutende Energie in Wellen mit mindestens einer Knotenebene durch das Substrat. Aufgrund der Unterschiede der Phasengeschwindigkeiten breiten sich diese Wellen in unterschiedlichen Winkeln von der reflektierenden Anordnung aus. Entsprechend den charakteristischen Eigenschaften von Scherwellen bewegen sich die Teilchen einer sich in Richtung X ausbreitenden Welle nur in der Richtung Y. Anzumerken ist, dass Scherwellen um die Medianebene symmetrisch oder antisymmetrisch sein können. Wie bereits angemerkt, erzeugt die reflektierende Anordnung eine Vielzahl von Scherwellentypen, die streuend sind. Ein bevorzugter Typ wird durch die Konfiguration der Vorrichtung ausgewählt. Insbesondere folgen diese Typen den folgenden Scheibenlösungen für eine in Richtung X sich ausbreitende Welle:

Ux=0
Uy=A cos(2πnz) exp [2πi (x/λ-ft)]
Uz=A sin(2πnz)

Diese Scherwellen werden im folgenden als horizontal polarisierte Scherwellen bezeichnet.
Gemäß vorliegender Erfindung werden akustische Reflektoren vorgesehen, die die Schallleistung eines gewünschten akustischen Wellentyps auf Grundlage der verschiedenen Phasengeschwindigkeiten der verschiedenen Typen im Verlauf des Reflektionsprozesses in eine vorgegebene Richtung leiten. Die Ausrichtung eines erwünschten Wellentyp erfordert daher, dass zwischen Wellentypen mit eng beabstandeten Phasengeschwindigkeiten unterschieden wird. Liegen die Phasengeschwindigkeiten zu nahe beieinander, komplizieren parasitäre Typen das Signalverhalten des Berührungstabletts. Es ist zum Teil dieser Effekt, der bekannte Lamb-Scher-Lamb-Sensorsysteme auf dünne Substrate beschränkt. Das vorliegende System verwendet daher vorzugsweise erwünschte Wellentypen, die sich leichter von parasitären Typen unterscheiden lassen.
Der Unterschied in der Phasengeschwindigkeit zwischen Scherwellen der Ordnung Null und den verschiedenen HOHPS-Wellen ist in etwa proportional zu (n/t)², wobei n die Ordnung des Wellentyps ist und t die Dicke des Glases. Die Phasendifferenz zwischen dem Typ n=0 (Scherwelle der Ordnung Null) und dem Typ n=1 nimmt im Verhältnis (1/t)² ab, wenn t zunimmt. Daher kann mittels Erhöhung von n dickes Glas verwendet werden, wobei die reflektierenden Anordnungen noch immer sauber einen einzelnen bevorzugten Typ austrennen können. Anzumerken ist, dass bei dickerem Glas der Unterschied der Phasengeschwindigkeit zwischen n=0 und n=1 generell für eine saubere Trennung zu gering sein mag. Doch höhere Ordnungen, insbesondere n=3, 4 und 5, lassen sich einfacher voneinander trennen. Festgehalten wird, dass in einem dünneren Substrat, z.B. mit einer Dicke von 0,040", nur die höhere Ordnung über ca. n=4 nicht unterstützt wird. In diesem Fall wird der Einsatz von geringeren HOHPS-Wellenordnungen bevorzugt, z.B. n=1 oder 2.
Der Einsatz von HOHPS-Wellen bietet neben der möglichen Verwendung dicken Glases weitere zusätzliche Vorteile. Der horizontal polarisierte Scherwellentyp der Ordnung Null unterscheidet sich von HOHPS-Wellentypen darin, dass HOHPS-Wellen mindesten eine Knotenebene parallel zur Substratoberfläche aufweisen, während Scherwellen der Ordnung Null eine quasi-einheitliche Wellenfront durch die gesamte Dicke des Substrats aufweisen. Alle HOHPS-Wellen weisen eine Oberflächen-Leistungsdichte auf, die dem zweifachen der über das Volumen des Substrats gemittelten Leistungsdichte entspricht, während Scherwellen der Ordnung Null eine konstante volumetrische akustische Leistungsdichte aufweisen, die an der Oberfläche gleich hoch ist wie der Durchschnitt über das Volumen. Daher liegt bei n>0 ein größerer Energieanteil der Scherwelle nahe der Oberfläche vor. Es ist dieses Verhältnis, welches in einem n>0-HOHPS-Sensor gegenüber einem n=0-Scherwellen-Sensor eine Verdoppelung der Substratdicke gestattet.
MULTIMODALER SENSOR
Das vorliegende System verwendet akustische Wellen und kann mit einer Pluralität unterschiedlicher akustischer Wellentypen betrieben werden, um eine einzige Datenmessung zu erhalten, wobei in diesem Fall verschiedene Merkmale durch Detektion der verschiedenen akustischen Wellentypen optimal gemessen werden können. Auch können redundante Messungen durch Analyse der verschiedenen akustischen Wellentypen vorgenommen werden, um ein und dasselbe Merkmal zu analysieren. Zu Beispiel können HOHPS-Wellen dritter und vierter Ordnung, die auf der Vorder- und Rückseite des Substrats erzeugt werden, für die redundante Messung der Koordinaten einer Berührung eingesetzt werden. Entsprechend ist eine Welle mit einer vertikalen Komponente gegenüber einem sehr nahegelegenen oder Kontakt stehenden Objekt hoch empfindlich, während die Scherwelle vergleichsweise geringere Empfindlichkeit gegenüber diesem Objekt aufweisen kann, aber auch weniger Neigung zu Schattenbildung durch eine stark wellenabsorbierende Störung an der Oberfläche. Daher lässt sich hier eine multivariate Analyse einsetzen, um mehr Informationen über die empfangenen Signale bereitzustellen oder diesbezügliche Zweideutigkeiten zu lösen. Die Wellen müssen nicht die gleiche Frequenz haben, und es kann sogar von Vorteil sein, sowohl die Frequenz als auch den Wellentypus zu variieren, damit verschiedene Wellen sich im gleichen Sensorsystem ausbreiten können. So lassen sich die Eigenschaften verschiedener Wellentypen in einem einzigen System ausbeuten.
Eine multivariate Analyse der verschiedenen Parameter kann durchgeführt werden, um weitere Informationen aus den empfangenen Daten abzuleiten. Liegt mehr als ein Wellentyp vor, kann eine Steuereinheit eine oder mehrere optimale Wellen auswählen, um die abgefühlte Variable zu analysieren. Steht eine Pluralität von Wellentypen zur Verfügung, können außerdem eine oder mehre Wellen ausgewählt werden, die minimale Interferenz mit anderen Ausrüstungsgegenständen verursachen. Interferenz kann beispielsweise vorliegen, wenn zwei identische Sensorsysteme nahe beieinander liegen. In diesem Fall lässt sich, sofern eine Anzahl verschiedener Wellentypen oder Frequenzen vorliegt, die Interferenz reduzieren, indem einander nahliegende Systeme unterschiedlich eingestellt werden. Interferenz kann ebenfalls vorliegen, wenn nahegelegene Gerätschaften Frequenzen nahe der Betriebsfrequenz der Vorrichtung aussenden oder empfangen. Auch hier macht der Betrieb in einer Anzahl verschiedener Frequenzen oder mittels Springen zwischen Frequenzen die Vorrichtung robuster und weniger störend in ihrem Umfeld.
Natürlich kann für verschiedene Wellentypen auch Zeit-Multiplexübertragung vorgenommen werden, d.h. die Wellen können sequentiell auf das Substrat aufgebracht und müssen somit nicht simultan vorliegen oder analysiert werden.
Jedoch wird bei einer festen mechanischen Konfiguration mit einer minimalen Anzahl von Wandlern bevorzugt, dass die verschiedenen Wellentypen simultan auf das Substrat aufgebracht und durch selektive Verarbeitung im empfangenden Wandler oder in der empfangenden Elektronik zerlegt werden. In Fällen, in denen die Anzahl der Wandler nicht minimiert ist, können aktive Annullierungsmethoden eingesetzt werden.
Soweit sich die Erregung der übertragenen Wellen unterschiedlicher Frequenz oder Wellenlänge unabhängig voneinander auswählen lässt, wird bevorzugt, diese durch Zeit-Multiplexübertragung auf das Substrat aufzubringen. Grund dafür ist, dass die Zeitauflösung eines akustischen Berührungssensors generell viel höher ist als für den vorgesehenen Zweck erforderlich, so dass diese Messungen nicht so schnell wie möglich umgesetzt werden müssen. Die zeitliche Trennung dieser Messungen vermindert Interferenz zwischen den Messungen und kann die Rechenkomplexität der Analyse reduzieren. Unter Gegebenheiten, in denen eine hohe Geschwindigkeit der Datenerfassung erwünscht ist, oder für diesen Zweck ausreichend Rechenleistung vorliegt, können multiple Wellentypen simultan analysiert werden.
Möglich ist auch die Bereitstellung einer zeitlich variierenden Konfiguration des Sensors, die für unterschiedliche Modi optimiert ist. Eine zeitlich variierende Konfiguration benötigt ein mechanisches Stellglied oder ein elektroakustisches Bauteil, welche nicht bevorzugt werden, weil sie die Komplexität erhöhen, obgleich sie dennoch zum Umfang der Erfindung gehören. Wird ein aktives Ausgleichssystem eingesetzt, kann der Ausgleicher zeitlich variieren, um die Auswahl der gewünschten Wellenform für die Analyse mit verminderter Interferenz zu unterstützen.
In einem akustischen Berührungspositionssensor wird zur Bestimmung der Position einer Berührung auf dem Substrat das System so ausgelegt, dass jeder Punkt auf dem Substrat einen einzigartigen oder quasi-einzigartigen charakteristischen Satz von Zeitverzögerungen/Laufzeiten aufweist, z.B. aufgrund der unterschiedlichen Pfadlängen, welche die jeweiligen Wellen zwischen dem Sender und der Detektionseinrichtung, d.h. dem Empfänger, zurücklegen müssen. Bevorzugt wird, dass die Bestimmung der Koordinaten mit Wellen identischen Typs durchgeführt wird, obgleich Wellen unterschiedlicher Typen verwendet werden können, um eine Position entlang zwei oder mehreren verschiedenen Achsen zu detektieren. Es kann zum Beispiel in einem stark länglichen Substrat vorteilhaft sein, verschiedene Typen oder Positionserkennungssysteme einzusetzen, um Positionen entlang einer Längsachse und einer Breitenachse zu detektieren. Außerdem kann auch eine diagonale Achse mit der gleichen oder einer anderen Form der Wellenausbreitung verwendet werden.
Längliche Substrate können nützlich sein, zum Beispiel in Aufzugssteuerungen, Steuerungen für Haushaltsgeräte, Tastatureinrichtungen und bestimmten Industriesteuerungen. Im Falle länglicher Substrate ist eine zum Abfühlen von Berührungen entlang der längeren Achse eingesetzte Scherwelle weniger empfindlich für Schattenbildung durch Verunreinigungen als VLCW. Daher kann bei länglichen Substraten der Einsatz verschiedener Wellentypen entlang verschiedener Achsen von Vorteil sein.
Unter Gegebenheiten, in denen Umweltfaktoren, z.B. Wassertropfen auf dem Substrat, die Übertragung eines Modus der Wellenausbreitung, z.B. des Modus Quasi-Rayleigh, stören können, lässt sich ein System mit multiplen Wellentypen vorsehen, das eine andere Empfindlichkeit für verschiedene störende Faktoren aufweist. In diesem Fall wird das Substrat selektiv mit zwei oder mehr unterschiedlichen Wellen erregt. Zum Beispiel lässt sich ein sogenanntes SAW-SAW-SAW-System, in dem Quasi-Rayleigh-Wellen durch einen Wandler erzeugt, als Quasi-Rayleigh-Wellen über/durch ein Substrat reflektiert und als Quasi-Rayleigh-Wellen zu einem empfangenden Wandler reflektiert werden, zusammen mit einem sogenannten SAW-Scher-SAW-System einsetzen, in dem von einem Wandler eine Quasi-Rayleigh-Welle erzeugt, diese als Scherwelle über bzw. durch das Substrat reflektiert und als Quasi-Rayleigh-Welle zu einem empfangenden Wandler reflektiert wird. In diesem Falle können die Wandler für das SAW-SAW-SAW-System auf einer berührungsempfindlichen Vorderfläche des Substrats angeordnet werden, während die Wandler für das SAW-Scher-SAW-System auf der rückwärtigen Oberfläche des Substrats angeordnet sein können. Da die Scherwelle durch die gesamte Dicke des Substrats Energiedichte aufweist, ist sie auf jeder der beiden Oberflächen des Schirms berührungsempfindlich, und die Platzierung der reflektierenden Anordnung für diesen Modus auf der Rückseite des Substrats behindert seinen Betrieb nicht. Alternativ können das SAW-SAW-SAW-System und SAW-Scher-SAW-System auf der vorderen Oberfläche des Substrats vorgesehen werden, welches reflektierende Anordnungen aufweist, die parallel zueinander angeordnet sind. Bevorzugt wird eine Überlagerung der reflektierenden Anordnungen, wobei die Wellen sich für jedes System in antiparallelen Richtungen durch die reflektierenden Anordnungen ausbreiten, so dass der empfangende Wandler auf Grund seiner Platzierung die Quelle des Signals unterscheiden kann.
Unter gewissen Gegebenheiten kann es möglich sein, ein System mit Zeitmultiplextechnik auszustatten, das mit der gleichen mechanischen Konfiguration in zwei verschiedenen Modi betrieben werden kann. Erreichen lässt sich dies zum Beispiel durch Änderung der Betriebsfrequenz der Wandler, so dass das Verhältnis der Phasengeschwindigkeiten der eintreffenden Welle zur reflektierten Welle nahezu identisch ist und die Wellenlängen sich ähneln. So wird hierbei ein einziger Wandlersatz für beide Wellentypen vorgesehen. Zum Beispiel kann ein SAW-Scher-SAW-System mit ca. 5 MHz erregt werden, wobei ein verbundenes SAW-SAW-SRW-System mit 6 MHz arbeitet. Die reflektierenden Anordnungen für jedes System sind jeweils überlagernd. Die Frequenzdifferenz zwischen den Wellentypen erleichtert die Filtrierung störender Signale und gestattet die Selektion des Typs durch einfache Änderung der Erregungsfrequenz des sendenden Wandlers.
Entsprechend lässt sich ein Scher-SAW-Scher-System zusammen mit einem SAW-Scher-SAW-System einsetzen, was einen Doppelmodus-Betrieb mit einem einzigen Satz reflektierender Anordnungen gestattet. Ein bevorzugter Scherwellen-Wandler ist ein auf eine Kante aufgebrachter piezoelektrischer Kristall, dessen Dimensionierung der gesamten Dicke des Substrats entsprechen oder sogar größer sein kann, um eine Scherwelle der Ordnung Null zu erzeugen, oder ein Wandler partieller Dicke, der in Nähe der oberen Oberfläche des Substrats angebracht und so gepolt wird, dass er sowohl Scher- als auch Dicke-Bewegung erzeugte dies zielt darauf ab, Scherwellen der Ordnung Null, HOHPS-Wellen und Rayleigh-Wellen zu erzeugen, wobei die Verteilung von der Resonanzfrequenz des Substrats und der Erregungsfrequenz des Wandlers abhängt. So kann ein einziger Wandler unterschiedliche Wellen erregen.
Zu beachten ist, dass die unterschiedlichen Betriebsmodi nicht SAW-SAW-SRW und SAW-Scher-SAW-Modi sein müssen und sogar zum Beispiel Modi vom Typ SAW-HOHPS(n=3)-SAW und SAW-HOHPS(n=4)-SAW oder andere Kombinationen sein können. Im Allgemeinen können die Systeme einen einzigen Satz Doppelmodus-Wandler, Wandler auf der vorderen und hinteren Oberfläche des Substrats oder Dualwandler auf der gleichen Fläche des Substrats verwenden. Zusätzlich zur Detektion des Signals für das vorgesehene Modussystem kann das System aufgrund der Bereitstellung zweier verschiedener Betriebsmodi auch die Wandlung einer Welle von einem Typ in einen anderen Typ detektieren. Dieser Wellenkonversionsmechanismus bietet, wie nachstehend erörtert, eine positive Signalrückmeldung.
Tritt ein hochabsorbierender Verunreinigungspunkt auf der Oberfläche des Substrats auf, kann das Substrat „überschattet" und entlang der X- und Y-Achsen durch diesen Punkt unempfindlich sein. Dies lässt sich durch die Bereitstellung zweier unterschiedlicher Wellen, die sich im Winkel zueinander ausbreiten, beheben. Zum Beispiel kann ein erstes System in einem Winkel von 0 und 90° arbeiten, während ein zweites System mit 45 und 135° arbeitet. Dies lässt sich realisieren, indem auf den reflektierenden Anordnungen zweite und dritte reflektierende Anordnungen überlagernd angebracht werden, so dass die reflektierten Wellen von den ersten, zweiten und dritten Anordnungen in eine Richtung von 45°, 90° bzw. 135° gelenkt werden. Zum Beispiel werden 4 Sende-/ Empfangswandler an den Ecken eines rechteckigen Substrats vorgesehen. Die gewinkelten Wellen werden durch Aussendung von einem Wandler und Empfang von Signalen durch die anderen Wandler detektiert. So lassen sich mit vier Wandlern zwei Sätze orthogonaler Koordinaten erhalten, so dass der Betrieb selbst dann gesichert ist, wenn ein absorbierender Punkt Wellen, welche direkt durch ihn passieren, überschattet. Die Anordnungen müssen natürlich nicht überlagernd angeordnet sein, sondern können beide Oberflächen des Substrats besetzen oder so ausgelegt sein, dass sie mit unterschiedlichen Frequenzen und/oder unterschiedlichen Wellentypen arbeiten.
Ist eine Pluralität von Wellentypen im Substrat gegeben, ist es wahrscheinlich, dass sie unterschiedliche Reflektionsmerkmale aufweisen. Zum Beispiel wird eine aus einem unerwünschten Scherwellentyp abgeleitete VLCW sich im Substrat voraussichtlich entlang einer anderen Achse ausbreiten als der erwünschte Wellentyp. Daher kann die Entfernung zwischen der reflektierenden Anordnung und dem empfangenden Wandler erhöht werden, um die räumliche Trennung der Wellen und somit die Selektivität des Wandlers zu steigern. In diesem Fall können sowohl die erwünschten als auch die unerwünschten Wellen getrennt empfangen werden. So kann das Substrat durch Anbringung akustische Wellen leitender Erweiterungen modifiziert werden, um die räumliche Trennung der Wellentypen zu gestatten und gleichzeitig einen erwünschten Formfaktor aufrecht zu erhalten.
Das Signal vom Empfänger für die definierte unerwünschte Welle kann verwendet werden, um getrennt Informationen über das Berührungsmerkmal bereitzustellen, eine Grundlage für die aktive Kompensierung des Systems zwecks erhöhter Leistung anzubieten, oder um Daten für die Interpretation des Signals vom Wandler bereitzustellen, der die definierte erwünschte Welle empfängt. Anzumerken ist, dass unter bestimmten Gegebenheiten die erwünschte und die unerwünschte Welle sich umkehren können, so dass die unerwünschte Welle die primären Informationen für die Ausgabe des Systems liefert.
POSITIVECHO-SENSOR
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein erster im Substrat sich ausbreitender Wellentyp durch eine Störung der Welle in einen zweiten Wellentyp verwandelt, z.B. durch die Nähe eines Objekts. Hierfür kann ein asymmetrisches System vorgesehen werden, in dem ein selektiver Detektor für diesen zweiten Wellentyp vorgesehen ist, wodurch Vorteile hinsichtlich des erhöhten Signal-Geräusch-Abstands, der differentiellen Störeffekte, der leichten Detektion oder Filterung und sonstige Vorzüge entstehen. Aktive Filterung, z.B. durch Emission eines akustischen Signals in das Substrat mit einem gewollten ausgleichenden Effekt auf ein vom empfangenden Wandler empfangenes Signal, oder nach der Durchleitung erfolgende elektronische Eliminierungstechniken können verwendet werden, um diesen neuen Wellentyp zwecks erleichterter Detektion zu akzentuieren. Da ein Wandler oft für einen bestimmten Betriebsmodus optimiert ist, kann es angebracht sein, getrennte Wandler für das Senden und den Empfang zu verwenden. Aktive oder passive Ausgleichseinrichtungen können mit getrennten Wandlern vorgesehen werden, die sich nach Typ und/oder Ort von den primären Wandlern unterscheiden.
HOHPS-Wellen unterliegen aufgrund störender Einflüsse wie Berührungen Änderungen der Wellentypen. Somit kann eine Berührung eine neue Wellenform erzeugen, die eine unterschiedliche Wellenordnung und/oder eine Umverteilung der Energiekomponenten aufweist. Die gewandelte Welle neigt dazu, eine Komponente zu umfassen, die die gleiche Ausbreitungsachse wie die eintreffende Welle aufweist, und kann somit durch eine reflektierende Empfangsanordnung empfangen werden, welche die gleiche oder eine parallele Anordnung der reflektierenden Sendeanordnung ist, und sodann in einer Weise, die einem System entspricht, das die Signaldämpfung misst, zu einem empfangenden Wandler umgelenkt werden. Zum Beispiel kann eine Berührung auf einer Seite die Welle möglicherweise in nicht-linearer Form lokal dämpfen, wodurch eine asymmetrische Wellenkomponente im Substrat erzeugt wird. Die gewandelte Welle neigt dazu, sich in gleicher Richtung auszubreiten wie die eintreffende Welle, und kann daher von der reflektierenden Anordnung des empfangenden Systems empfangen und an den empfangenden Wandler in einer Form weitergeleitet werden, die einem System entspricht, das nur die Signaldämpfung misst.
Die empfangende reflektierende Anordnung kann für eine Welle unterschiedlicher Wellenordnung, d.h. der Ordnung, welche durch die Berührung erzeugt wird, optimiert werden. Diese Optimierung lässt sich insbesondere durch Bestimmung des richtigen Winkels der reflektierenden Elemente für die empfangene Welle erreichen, der sich voraussichtlich vom Winkel der reflektierenden Elemente der sendenden Anordnung unterscheiden wird. Somit wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein positives, über einer Basislinie liegendes Signalecho aus einer Störung des Sensors für die Analyse empfangen, statt einer Dämpfung des Signalechos, wie dies in einem Messsystem für das Signaldämpfungsecho der Fall ist. Dies kann bei vereinfachter Elektronik einen höheren Signal-Geräusch-Abstand ermöglichen. Natürlich lässt sich ein solches positives Echosystem zusammen mit einem auf die übertragene Welle abgestimmten Messsystem für gedämpfte Echos als Doppelmodus-Abfühlsystem einsetzen. So kann ein Zweimodensensor, der eine übertragene Quasi-Rayleigh-Welle einsetzt, mit reflektierenden Elementen in einem Winkel von 45° vorgesehen werden, um eine Quasi-Rayleigh-Welle über/durch das Substrat zu senden. Eine Berührung im aktiven Bereich verwandelt einen Anteil der Quasi-Rayleigh-Welle in eine Scherwelle, die in die gleiche Richtung gerichtet ist wie die Quasi-Rayleigh-Welle. Die empfangende reflektierende Anordnung wird mit einem proximalen Reflektor versehen, z.B. einem Oberflächenmerkmal wie einer eingravierten Kerbe oder einem erhabenen Element oder einer Serie linearer Elemente im rechten Winkel zum Wellenpfad, die die Oberflächenwelle selektiv zur gegenüberliegenden reflektierenden Anordnung zwecks Empfang durch den kombinierten Sende-/Empfangswandler zurück reflektieren. Distal gegenüber diesem selektiv reflektierenden Abschnitt der Anordnung werden im geeigneten Winkel reflektierende Elemente vorgesehen, um die Scherwelle selektiv in eine VLCW zu wandeln, die sich entlang einer einzigen Achse auf einem getrennten Empfangspfad ausbreitet. Damit empfängt dieses System sowohl die gedämpfte Quasi-Rayleigh-Welle als auch ein positives Echosignal von der induzierten Scherwelle.
Alternativ sieht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ein positives Echosystem vor, das im aktiven Bereich des Sensors mit einer einfallenden horizontal polarisierten Scherwellenform der Ordnung Null arbeitet. Diese Scherwelle der Ordnung Null wird durch Berührung mittels lokaler Absorption der Oberflächenwellenenergie in eine HOHPS-Welle der Ordnung 1 sowie möglicherweise höherer Wellenordnungen verwandelt. Somit lässt sich mit Standardmethoden eine horizontal polarisierte Scherwelle der Ordnung Null erzeugen, während ein vorliegend beschriebenes System für eine n=1-HOHPS-Welle eingesetzt wird. Zu beachten ist, dass für die Zwecke eines einfachen positiven Echosystems die eintreffende Scherwelle der Ordnung Null nicht „rein" sein muss, solange die n=1-HOHPS-Welle eliminiert oder vollständig ausgeglichen wird, da das empfangende Subsystem alle störenden Wellentypen aus der n=1-HOHPS-Welle austrennen kann.
REFLEKTIERENDE ELEMENTE
Breitet sich eine akustische Oberflächenwelle oder eine andere Welle mit vertikalen und longitudinalen Komponenten, d.h. eine symmetrische oder antisymmetrische Lamb-Welle der Ordnung Null oder eine Lamb-Welle höherer Ordnung entlang einer Anordnung reflektierender Elemente aus, können Anteile der Wellenenergie durch diese Elemente reflektiert werden. Die Merkmale der verschiedenen Reflektionen hängen vom Typus der Reflektoren und ihren Eigenschaften, ihrer Beabstandung und ihrem Winkel, dem Substrat und seinen Parametern, den Eigenschaften der einfallenden Wellen sowie sonstigen Eigenschaften des Gesamtsystems ab, die nicht in vollem Umfang verstanden sind. Im Allgemeinen lässt sich jedoch ein Satz Parameter bestimmen, bei denen unter normalen Verhältnissen in einem Natronkalkglassubstrat mit einer Dicke von 0,090" eine Quasi-Rayleigh-Welle mit einer Frequenz von ca. 5,53 MHz, die auf ein reflektierendes Gitter, bestehend aus einer mit Siebdruck bearbeiteten Glasfritte mit einer Breite von 0,01" [0,254 mm] und Beabstandung von 0,022" [0,559 mm], in einem vorbestimmten Winkel gerichtet ist, der um etwas mehr als 45° von der Achse des Wandlers abweicht, horizontal polarisierte Scherwellen der 3. oder 4. Ordnung in Normalenrichtung zur Achse des Wandlers lenkt. Unter diesen gleichen Gegebenheiten werden andere Wellentypen in andere Winkelrichtungen gelenkt, möglicherweise in ausgesprochen inkohärenter Form, und werden generell die Berührungsempfindlichkeit nicht bedeutend beeinflussen noch ein signifikantes Störsignal im empfangenden Wandler erzeugen. Die Parameter anderer nützlicher Ausführungsbeispiele lassen sich gemäß den technischen Lehren der vorliegenden Erfindung auswählen.
Im Allgemeinen ist zu beobachten, dass durch Auswahl der Merkmale des Berührungssensors für den Einsatz mit horizontal polarisierten Scherwellen höherer Ordnung ein relativ dickes homogenes Substrat verwendet werden kann, welches hohe Berührungsempfindlichkeit, jedoch keine übermäßige Empfindlichkeit und verminderte Schatteneffekte aufweist. Da diese Wellen durch Variation des Winkels der Elemente der reflektierenden Anordnung ausgewählt werden, sind die Konstruktionsdetails leicht zu verstehen und setzen geringe Modifikationen bestehender Herstellungsmethoden ein.
Ist die Beabstandung der Elemente ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge der Welle im Medium, wird die Reflektion kohärent, d.h. phasengleich, sein.
Der Winkel der reflektierenden Elemente der Anordnung der Reflektoren, die verwendet wird, um akustische Oberflächen in oder aus Scherwellen umzuwandeln, muss ebenfalls ausgewählt werden, um kohärent einen selektierten Wellentyp phasengleich zwischen dem Wandler und dem Aktivbereich des Substrats auszurichten. Somit dient die reflektierende Anordnung als selektives Filter für den selektierten Wellentyp und für die Ausrichtung des erwünschten Wellentyps. Die reflektierende Anordnung kann mit anderen Filtern kombiniert werden, die in bekannter Weise eingesetzt werden können, um den erwünschten Wellenausbreitungsmodus auszuwählen. Zwar sind diese Filter im Allgemeinen passive Filter, doch zählen auch aktive Filter zum Umfang der vorliegenden Erfindung. Des weiteren lässt sich der empfangende Wandler selbst dahingehend gestalten, dass er das erwünschte Signal wahlweise durch passive oder aktive Mittel empfängt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung erzeugt ein piezoelektrischer Wandler ein Erregungssignal von ca. 5,53 MHz, das sich entlang einer Achse als Quasi-Rayleigh- oder Lamb-Welle ausbreitet. Dieser Wellentyp ist gegenüber Berührung auf der rückseitigen Oberfläche des Substrats unempfindlich. Dieser Wandler kann von konventioneller Art sein. Auf dieser gleichen Achse und außerhalb eines Aktivbereichs des Substrats werden eine Serie eng beabstandeter paralleler Unterbrechungen ausgebildet, in einem Winkel zur Ausbreitungsachse, der größer ist als ca. 45°, d.h. ca. 47 – 57°. Die Beabstandung dieser Unterbrechungen wird in etwa einer Ganzzahl der Wellenlänge der Quasi-Rayleighoder Lamb-Welle entsprechen. Die Konfiguration, insbesondere der Winkel der reflektierenden Elemente, wird bevorzugt so gewählt, um eine horizontal polarisierte Scherwelle der Ordnung 4 im rechten Winkel zur Achse in den aktiven Bereich des Sensorsystems umzulenken. Das bevorzugte Substrat ist ein Stück Natronkalkglas mit einer Dicke von 0,090", das sich mit einem Standardverfahren für die Versiegelung optischer Verbindungen bequem und einfach im aufgebrachtem Zustand ausbilden lässt.
Es wurde festgestellt, dass der optimale Chevron-Winkel von der Ausbreitungsachse der VLCW für eine Scherwelle von n=0 bei Glasdicken von 0,085" [2,159 mm] bis 0,090" [2,286 mm] bei ca. 46° liegt, für n=1 ca. 47–48° beträgt, für n=2 ca. 48°, für n=3 ca. 50°, für n=4 ca. 52°–53° und für n=5 ca. 56°, wobei zunehmende Dicke zu kleineren Winkeln neigt. Das Verhältnis der Phasengeschwindigkeit einer Quasi-Rayleigh-Welle und einer n=4-HOHPS-Welle liegt bei ca. 0,92.
Festzuhalten ist, dass der gewählte Wellentyp sich nicht in einem in Normalenrichtung zur Achse der Wandler verlaufenden Winkel ausbreiten muss und sogar in verschiedene andere Winkel ausgerichtet sein kann. Wie erwähnt, ist es in der Tat ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass verschiedene Wellentypen in unterschiedlichen Winkeln ausgerichtet werden. Jedoch detektiert die Konfiguration der Vorrichtung selektiv eine Störung einer selektierten Welle. Daher kann eine einzige Übertragungsanordnung eine Pluralität von Wellen unterschiedlicher Typen erzeugen, die selektiv von einer Pluralität empfangender Wandler empfangen werden, die ihrerseits wahlweise einer Pluralität empfangender reflektierender Anordnungen zugeordnet sind. Diese empfangenden Anordnungen können überlagert, parallel, auf gegenübliegenden Seiten des Substrats oder in sonstigen Anordnungen angeordnet sein.
Liegt der reflektierte Ausbreitungswinkel nicht im rechten Winkel zur Ausbreitungsachse der VLCW, wird bevorzugt, dass die Kanten des Substrats unter diesen Gegebenheiten entweder für die Welle nicht reflektierend sind oder so ausgebildet werden, dass sie die Welle in der gewünschten Ausbreitungsrichtung reflektieren, während die generell rechteckige Form des Substrats erhalten wird, z.B. durch gewinkelte Facetten in einer Sägezahnanordnung. Diese Facetten können auch unterschiedliche Dicke aufweisen. Solche Facetten können rechtwinklige Spitzen aufweisen, deren Neigungswinkel so ausgerichtet ist, dass Facettenkanten gebildet sind, die parallel verlaufen und die Welle in die gewünschte Richtung lenken und auf der Reflektionsachse in einem Abstand gestaffelt sind, der die Wellen phasengleich bereitstellt. Die reflektierenden Oberflächen der Facetten können auch in einem anderen Winkel zur eintreffenden Welle ausgerichtet sein, um Wellen selektiv in einer erwünschten Weise auszurichten. Da eine gerade Substratkante parallel zur reflektierenden Anordnung die Scherwelle generell entlang dem Pfad der eintreffenden Welle reflektieren wird, kann eine nicht-gerade Kanten-Funktion vorgesehen werden, um das System für einen nicht-rechtwinkligen Signalpfad zu optimieren. Die Kante kann somit einen gezackten Zustand aufweisen. Ist die Reflektion der Wellen entlang eines nicht-rechtwinkligen Pfads erwünscht, werden das Substrat und die reflektierenden Anordnungen bevorzugt so ausgelegt, dass Multiplex-Übertragung des gewünschten Signals für den Empfang durch einen einzigen Empfänger ohne bedeutende Störungen oder Artefaktbildung erfolgt.
Erwünscht ist eine relativ gleichmäßige Detektionsempfindlichkeit über den gesamten aktiven abfühlenden Bereich des Substrats. Wird eine reflektierende Anordnung mit identischen sich wiederholenden reflektierenden Elementen in einheitlichen Abständen versehen, werden die Wellen mit dem kürzesten Signalpfad erheblich höhere Intensität aufweisen als die Wellen mit dem längsten Signalpfad. Dies ist durch die Effekte der einfachen Dämpfung durch Übertragung durch das Substrat bedingt, sowie durch den Umstand, dass eine reflektierende Anordnung einheitlicher Auslegung dazu neigt, einen konstanten Anteil der Wellenenergie an jedem Element zu reflektieren, wodurch mit zunehmendender Entfernung vom Wandler ein im Wesentlichen exponentielles Abklingen der Signalstärke verursacht wird. Bevorzugt wird daher, das dieses exponentielle Abklingen ausgeglichen wird, z.B. durch Variieren des reflektierten Anteils des Signals mit zunehmendender Entfernung vom Wandler, um einen oder beide dieser Effekte zu kompensieren. Die Berührungsempfindlichkeit wird zu einem gewissen Anteil mit der Leistungsdichte der akustischen Welle im Bereich der Berührunq korrelieren. Daher wird bevorzugt eine in gewissem Umfang konstante Leistungsdichte im gesamten berührungsempfindlichen Bereich des Substrats vorgesehen. Eine konstante Leistungsdichte reduziert den erforderlichen dynamischen Bereich des Empfangssystems für die Analyse des empfangenen Signals.
Eine Möglichkeit für die Bereitstellung einer konstanten Leistungsdichte der akustischen Oberflächenwellen, die durch die Anordnungen reflektiert werden, ist der Einsatz einer Methode des „Abzugs reflektierender Elemente", die in der US 4,644,100 und Re. 33,151 erörtert wird. Diese Methode erhöht die Energie-Reflektivität an Punkten entlang der Anordnung in dem Maße, in dem sich der Abstand zwischen den Punkten entlang der Anordnung und dem jeweiligen Wandler erhöht. Die Methode des „Abzugs reflektierender Elemente" ist derart gestaltet, dass ausgewählte reflektierende Elemente in der Anordnung eliminiert werden. Dies Methode beeinträchtigt jedoch die Fähigkeit der Anordnung, zwischen Wellenlängen oder Phasengeschwindigkeiten verschiedener Wellentypen zu unterscheiden. Die Methode des „Abzugs reflektierender Elemente" begrenzt die Größe eines Berührungstabletts, da die Beabstandungen in der Anordnung zunehmen, je größer das Feld ist, was letztlich zu nicht-überlagernden reflektierenden Elementen führt.
Eine andere Methode zur Erzielung einer konstanten Leistungsdichte umfasst die Erhöhung der Energie-Reflektivität an Punkten entlang der Anordnung in dem Maße, wie die Entfernung der Punkte entlang der Anordnung vom jeweiligen Wandler zunimmt, und zwar durch Bereitstellung einer reflektierenden Anordnung variabler Höhe, wie in 4 dargestellt. Solche reflektierenden Elemente reflektierender Anordnungen mit variabler Höhe sind bekannt, siehe US-Patentschrift 4,746,914. Die Höhe jedes Elements in der reflektierenden Anordnung ist so ausgelegt, dass das Energiereflektionsvermögen pro Längeneinheit einer reflektierenden Anordnung, σ (x), ungefähr durch folgende Gleichung vorgegeben ist (unter Vernachlässigung multipler Reflektionseffekte, der Streuungsausbreitung, Absorption im Substrat etc.) σ (x) = α/ [(1 + α/σL) (εα(L-X) - 1)] Gleichung 2 wobei das Verhältnis der Höhe der Anordnung in Punkt x zur Höhe des ersten Anordnungselements (x=0) in etwa h(x)/h(0) = [[(1 + α/σL) (εαL - 1)]/[(1 + α/σL) (εα(L-X) - 1)]]1/2 Gleichung 3 ist, das Verhältnis der Höhen des letzten Anordnungselements und des ersten Anordnungselements ungefähr h(L)/h(0) = [[(1 + α/σL) (εαL - 1)]/[α/σL]]1/2 Gleichung 4 ist; dabei ist α die Energieabsorptionsfähigkeit der Anordnung pro Längeneinheit, x die Variable, welche die Entfernung vom Anfang der Anordnung repräsentiert, und L die Länge der Anordnung. Um eine Anordnung variabler Höhe zu gestalten, ist ein praktischer Wert für das Verhältnis der höchsten zur kleinsten Höhe, h(L)/h(0), zu schätzen und in Gleichung 4 einzufügen, um σ_L zu bestimmen. Danach werden die Werte von h(0) und σ_L in Gleichung 3 eingefügt, um die Höhe der Anordnung als Funktion der Entfernung zu schätzen. Die so erhaltenen Sensorsubstrate werden sodann empirisch getestet, um eine Optimierung des Substrats unter Berücksichtigung der anderen Variablen zu gestatten. Mit Anordnungen variabler Höhe lassen sich die in 8 gezeigten Wellenformen erzielen, worin die Amplitude der HOHPS-Wellen, die von den Anordnungselementen reflektiert werden, bei Nicht-Berührung über die ganze Anordnung im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Es ist ebenfalls möglich, Anordnungen sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Oberfläche des Substrats zu vergittern, vorausgesetzt dass die oben und unten gelegenen reflektierenden Elemente so angeordnet sind, dass der erwünschte Wellentyp verstärkt wird und die anderen Typen unterdrückt oder besser unterschieden werden.
LAMINATSTRUKTUREN ODER STRUKTUREN VOLLER TIEFE
Ungewollte Wellentypen lassen sich unterdrücken, indem die reflektierenden Elemente der Anordnung in solcher Weise ausgebildet werden, dass die Elemente sich durch die Dicke des Substrats erstrecken, um die Zahl der ungewollten Typen für einen gegebene Reflektivität der HOHPS-Wellen zu minimieren. Sowohl HOHPS- als auch Rayleigh-Wellen weisen Phasenvariationen durch die Dicke das Glases auf. Dies lässt sich durch Einätzen von Schlitzen ins Substrat in den gewünschten Dimensionen und Rückbefüllung mit Glasfritte oder dergleichen erreichen, um reflektierende Elemente bereitzustellen, die sich durch die Dicke des Substrats erstrecken. Anzumerken ist, dass, während HOHPS-Wellen eine Energieverteilung durch das Volumen des Substrats aufweisen, die Energie von Rayleigh-Wellen sich auf den Bereich nahe der Oberfläche beschränkt, so dass eine reflektierende Anordnung voller Dicke nur geringfügig effizienter ist als eine reflektierende Ordnung mit Schlitzen partieller Dicke.
Im Allgemeinen ist ein hohes Maß an akustischer Transparenz der reflektierenden Anordnung erwünscht, damit bedeutende Wellenenergie den distalen Bereich der reflektierenden Anordnung erreichen kann. Wellen, die eine bedeutende Oberflächenenergiedichte aufweisen, werden von Oberflächenreflektoren besser reflektiert. Ist das Substrat jedoch eine Laminatstruktur, ist es auch möglich, eine versenkte reflektierende Anordnung vorzusehen. Diese Anordnung ist vorteilhaft, wenn eine Welle von einem Wandler ausgesendet werden soll, die geschützt ist, bis sie in einen abfühlenden Bereich des Sensorsystems geleitet wird. So kann eine interne Welle, z.B. Stoneley-Welle, erzeugt und intern in einen Abschnitt des Substrats geleitet werden, der eine Laminatstruktur aufweist, um die Ausbreitung in einer relativ begrenzten Schicht des Substrats zu ermöglichen. Die reflektierte Welle ist vorzugsweise eine Scherwelle, z.B. eine Scherwelle der Ordnung Null, oder eine HOHPS-Welle. So kann ein Wandler eine Welle erzeugen, die sich als interne Stoneley-Welle ausbreitet, die gegen externe Einflüsse geschützt ist. Die reflektierende Anordnung kann aus internen Materialstreifen oder den erhabenen reflektierenden Elementen einer zentralen Schicht gebildet sein, die in ein Laminat hineinragen und die Stoneley-Welle im aktiven Bereich des Substrats als Scherwelle reflektieren. Diese Scherwelle wird durch Berührung auf dem Substrat mit charakteristischen Zeitverzögerungen gedämpft, während die verbleibende Wellenenergie durch entsprechende Reflektoren zu einem empfangenden Wandler reflektiert wird. Während diese reflektierte Welle als Teil eines Stoneley-Scher-Stoneley-Sensorsystems auch eine Stoneley-Welle sein kann, kann das zweifach reflektierte Signal anderen Typs sein, z.B. eine Rayleigh-Welle. Das Substrat kann zum Beispiel eine zwischen zwei Lagen Kunststoff im Bereich der Reflektoren laminierte Glasscheibe sein, die ein Substrat aus Glas oder drei Scheiben laminierten Glases im abfühlenden Bereich aufweist. Der Wandler kann durch Eliminieren des Plastiks in diesem Bereich mit der mittleren laminierten Glasscheibe verbunden sein.
Das System gemäß vorliegender Erfindung gestattet auch den Einsatz modenspezifischer Filter, die analog zu Antireflex-Beschichtungen in der Optik operieren. Ist z.B. die Selektion einer horizontal polarisierten Scherwelle 4. Ordnung aus einer Pluralität horizontal polarisierter Scherwellen höherer Ordnung erwünscht, kann zum Beispiel eine Laminatstruktur mit alternierenden Schichten von Materialien unterschiedlicher Phasengeschwindigkeiten für die verschiedenen Scherwellen an einer reflektierenden Kante des Substrats angebracht werden. Solch ein Laminat wird in 17 dargestellt. Die Breite des Laminats ist so gewählt, dass die erwünschte Welle verstärkt wird, während Wellen abweichender Ordnung, abweichender Einfallswinkel oder abweichender Phasengeschwindigkeit gedämpft werden. Entsprechend können in einem Multielement-Filter in der Breite gestapelte Laminate mit einer dazwischenliegenden, teilweise reflektierenden Ebene eingesetzt werden. In der Tat kann das ganze Substrat ein Laminat sein, das selektiv Scherwellen der entsprechenden Ordnung sowie tiefere und höhere Harmonische derselben überträgt. In einem solchen Fall wird bevorzugt, dass ein Plastikfilm sorgfältig kontrollierter Dicke und akustischer Übertragungseigenschaften abwechselnd mit einem Glassubstratmaterial laminiert wird, um selektiv eine einzige horizontal polarisierte Scherwelle höherer Ordnung auf Grundlage der Dicke des Films im Verhältnis zur Wellenlänge entlang der Achse Z des Substrats zu übertragen.
Ein Plastikstreifen mit einer optischen Beschichtung, z.B. einem Film mit einer von OLCI hergestellten HEA-Beschichtung, für die Eliminierung oder Minimierung optischer Reflektion kann auf die untere Grundfläche des Substrats laminiert werden. Eine solche Kunststoff-Beschichtung auf der Rückseite des Substrats verbessert nicht nur die optischen Eigenschaften des Substrats, sondern kann sich aus Sicherheitsgründen einsetzen lassen, um durch Zerbrechen des Glassubstrats verursachte Schäden zu begrenzen. Da dieser Plastikstreifen eine Filterfunktion erfüllt, sind seine akustischen Eigenschaften sorgfältig kontrolliert, z.B. das Material, die Dicke, die Laminierungsbedingungen und andere bekannte Faktoren.
Jede reflektierende oder teilweise reflektierende Ebene oder jede räumliche Veränderung der Phasengeschwindigkeit einer parallel zur Achse der Wellenübertragung verlaufenden Welle neigt dazu, die Welle zu filtrieren, um selektiv bestimmte Wellentypen zu übertragen. Des weiteren wird jede Schicht, welche unterschiedliche akustische Eigenschaften, z.B. Absorptivität, aufweist, die Welle ebenfalls filtrieren und selektiv bestimmte Typen übertragen. Eine Laminatstruktur muss nicht um die Medianebene des Substrats symmetrisch angeordnet sein und alle beliebigen Materialtypen, die zusammen den gewünschten Wellentyp selektiv übertragen, können eingesetzt werden. Weitere Formen dreidimensionaler Strukturen und Resonatoren können ebenfalls für die Selektion eines erwünschten Typs nützlich sein.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird normales Sicherheitsglas, z.B. einer Autowindschutzscheibe aus 3/32" [2,38 mm] dickem Glas, 1/32" [0,794 mm] dickem Polymerklebstoff und 3/32" dickem Glas eingesetzt. Die Betriebsfrequenz der Vorrichtung wird durch die gewählte Wellenordnung bestimmt, sowie durch die mechanischen und akustischen Eigenschaften des Substrats.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Love-Welle, d.h. eine Körperwelle des Schertyps mit Wellenenergie auf einer Oberfläche und deutlich geringerer Wellenenergie auf der gegenüberliegenden Oberfläche, vorgesehen. Der Love-Wellen-Zustand wird durch Bereitstellung eines Laminats aus zwei oder mehr Substratmaterialien erleichtert, die sich hinsichtlich ihrer Phasengeschwindigkeit unterscheiden, wobei die geringere Geschwindigkeit an der oberen empfindlicheren Oberfläche vorliegt. Die Love-Welle kann verschiedene Wellenordnungen aufweisen, z.B. n=0, 1, 2, 3, 4 ..., in denen n die Anzahl der durchkreuzenden Knotenebenen ohne Wellenbewegung in Analogie zu HOHPS-Wellen ist. In diesem Fall dient die Laminat-Substrat-Struktur einem etwas anderen Zweck als die vorstehend beschriebenen räumlichen Wellenfilter und zeigt an, dass die Sensoranordnungen gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt werden können, um sowohl eine gewünschte Wellenklasse als auch eine Ordnung innerhalb dieser Wellenklasse auszuwählen. Das Laminat kann daher zwecks Selektion einer erwünschten Love-Welle eine größere Anzahl an Schichten umfassen, die einem monoton steigenden Muster der Veränderung der Phasengeschwindigkeit folgen, oder kann mit einer Filteranordnung versehen werden, z.B. in Form von alternierenden Lagen von Materialien höherer und geringerer Phasengeschwindigkeit mit einer Gesamtasymmetrie, um speziell einen erwünschten Love-Wellentyp auszuwählen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine 3 mm dicke Schicht Borsilikatglas auf eine 3 mm dicke Schicht Natronkalkglas laminiert, die Love-Wellen der Ordnung n=0, 1 auffängt, wodurch sich eine Berührungsempfindlichkeit von ca. 55 dB ergibt, die für n=0 auf der Vorderseite größer ist als auf der Rückseite. Eine Borsilikatglasscheibe mit einer Dicke von 1 mm auf einer Natronkalkglasscheibe von 3 mm würde eine Love-Welle der Ordnung n=0 auffangen, woraus sich eine unterschiedliche Berührungsempfindlichkeit auf der Vorder- gegenüber der Rückseite von etwa 40dB ergibt, während eine Borsilikatglasscheibe mit einer Dicke von 2 mm eine Love-Welle der Ordnung n=0, 1 auffangen würde und für n=0 eine differenzielle Berührungsempfindlichkeit von ungefähr 50dB ergeben würde.
ELEKTRONISCHE FILTERUNG
Wie vorstehend beschrieben ist eine aktive Eliminierungstechnik gemäß vorliegender Erfindung eine Technik, bei der eine Wellenform durch einen Wandler in der Nähe des Sensors angebracht wird, um die Ausgabe selektiv zu eliminieren, zu dämpfen oder zu kompensieren und somit den erforderlichen dynamischen Bereich des empfangenden Wandlers und der verbundenen Elektronik zu reduzieren. Ein aktives Filtersystem kann z.B. auf einem piezoelektrischen Substrat mit angesteuerten Interdigitationen oder auf mehreren auf dem Substrat angebrachten Wandlern beruhen, die zusammenarbeiten, um die erwünschte Welle zu erzeugen und unerwünschte Wellen zu unterdrücken. Ein verwandtes System umfasst eine phasengesteuerte Anordnung von Wandlern.
Ein aktives Filtersystem oder eine phasengesteuerte Anordnung von Wandlern wird generell zusammen mit einem digitalen Signalprozessor (DSP) oder SAW-Filter verwendet. Wird ein digitaler Signalprozessor eingesetzt, kalkuliert diese Vorrichtung eine inverse Rückmeldung aus einem interferierenden Wellentyp und überträgt diese als Signal, um den unerwünschten Typ aus der empfangenen Wellenform zu eliminieren. Ein SAW-Filter führt in einem analogen Umfeld eine vergleichbare Operation aus wie akustische Wellen auf einem piezoelektrischen Substrat. Eine DSP-Anordnung kann einfach mit adaptiven Fähigkeiten versehen werden, d.h. kann neue Kompensationsstrategien oder -details erlernen und diese nach Bedarf anwenden. SAW-Filter lassen sich weniger einfach modifizieren, um an geänderte Bedingungen angepasst zu werden, als programmierbare digitale Vorrichtungen. Zu beachten ist, dass eine DSP-Funktionalität als dedizierte Halbleiteranordnung umgesetzt werden kann, z.B. als DSP- oder Digitalfilter, oder als softwaregesteuerte Funktionalität eines Universalprozessors. Geeignete DSP-Vorrichtungen umfassen TMS320C2x-, C3X- oder C5X-Geräte von Texas Instruments oder DSPs der Serie MC56000 von Motorola, der Serie Z8 von Zilog usw.
Aktive Filtrierung kann als integraler Bestandteil der übertragenden und/oder empfangenden Wandler vorgesehen werden oder durch einen separaten übertragenden Wandler erbracht werden.
Auch kann eine passive Filterfunktion realisiert werden, die auf einem Modell der Sensorvorrichtung beruht, wobei der empfangende Wandler wahlweise mit einem getrennten kompensierenden Wandlersystem versehen wird, das versucht, die Interferenz zu reduzieren und die Eigenschaften einer Störung der Welle, d.h. die Position einer Berührung, exakt zu detektieren. Dieses passive Filter kann anpassungsfähig sein und lässt sich in einem DSP, Digitalfilter oder sonstigen Rechnersystem umsetzen.
Der Einsatz komplexer Filter zwecks Kompensierung von Resonanzen, Nichtlinearitäten, verschiedenen Reflektionsmodi und anderen Störungen gestattet die Analyse eines Signals, das primär die Effekte der Störung umfasst. Somit gleicht das Filter die Hintergrundeigenschaften und Eigenschaften des Sensors selbst aus und liefert Informationen bezüglich des störenden Einflusses für die detaillierte Analyse und Ausgabe.
Ein aktives Filtersystem gemäß vorliegender Erfindung beschränkt sich nicht auf Sensoren, die HOHPS-Wellen zur Berührungsdetektion einsetzen, und kann in verschiedenen Anordnungen anwendbar sein, welche die bekannten Typen akustischer Wellen im übertragenden Wandler, aktiven abfühlenden Bereich und empfangenden Wandler verwenden. So zählt ein akustischer Wandler für eine berührungsempfindliche Platte, die ein integrales Filter aufweist, z.B. ein piezoelektrisches Substrat mit interdigitalen Elektroden, das in bekannter Weise als aktives oder passives System angeschlossen werden kann, zum Umfang der vorliegenden Erfindung. Akustische Berührungssensoren, die ausgleichende übertragende Wandler als aktive Kompensatorvorrichtungen verwenden, zählen ebenfalls zum Umfang der vorliegenden Erfindung.
MODENDIFFERENZIERENDE PHYSIKALISCHE FILTER
Grundsätzlich können Filter für die Selektion verschiedener Wellentypen in unterschiedlicher Weise umgesetzt werden. Diese können Hochpass-, Tiefpass-, Bandpass-Konstruktionen oder solche mit komplexen Übertragungsfunktionen sein. Zuerst können unerwünschte Wellentypen absorbiert und ihre Energie in einem transmissiven oder reflektierenden Filter abgeleitet werden. Ein solches Filter kann zum Beispiel Substratabschnitte umfassen, die die Übertragung von Scherwellen nicht unterstützen, oder aus Reflektoren bestehen, die so angeordnet sind, dass ein untersagter Reflektionsmodus erforderlich wäre. Zweitens kann ein Filter ein semi-reflektierendes Element umfassen, das eine Komponente durchlässt und eine zweite Komponente reflektiert. Im Anschluss wird die unerwünschte Komponente gezielt abgeführt oder in der anschließenden Signalanalyse der erwünschten Komponente unbeachtet gelassen. Auch kann ein spezifisches Bandpassfilter vorgesehen werden, um den erwünschten Wellentyp auszuwählen. Diese Filter können getrennt oder als integraler Bestandteil des Substrats oder der Wandler vorgesehen werden.
Anzumerken ist, dass dann, wenn der Einfallswinkel der erwünschten Scherwelle auf der reflektierenden Oberfläche nicht 0° ist, sorgfältig darauf zu achten ist, untersagte oder verbotene Reflektionsmodi zu vermeiden, die infolge der bekannten Wellenmechanik auftreten. Andererseits können diese untersagten oder verbotenen Reflektionsmodi verwendet werden, um unerwünschte Scherwellentypen zu eliminieren.
So kann eine reflektierende Kante entweder neben der reflektierenden Anordnung oder gegenüber der reflektierenden Anordnung auf der anderen Substratseite z.B. ein Filter für die selektive Reflektion eines erwünschten Wellentyps und die Dämpfung oder anders geartete Reflektion der anderen Typen umfassen. Werden diese unerwünschten Typen reflektiert, ist es erwünscht, einen Absorber für die Aufzehrung der Energie dieser unerwünschten Wellen vorzusehen. Da die erwünschten und unerwünschten Wellen getrennt sind, muss der Absorber nicht intrinsisch modenselektiv sein.
Es kann ein Filter eingesetzt werden, das die Wellen allein auf Grundlage der Phasengeschwindigkeit unterscheidet, z.B. eine Serie reflektierender Elemente, die den reflektierenden Elementen auf den reflektierenden Anordnungen ähneln, die im Pfad der Schwerwelle in Normalenrichtung zum Einfallswinkel positioniert werden. Da eine Scherwelle durch das gesamte Volumen des Substrats Energie aufweist, können diese Elemente auf einer oder beiden Oberflächen des Substrats angeordnet werden.
Während ein Filter den gesamten aktiven Bereich des Substrats umfassen kann, beeinträchtigt das Filter vorzugsweise die optischen Eigenschaften des Substrats für den Einsatz als CRT-Berührungstablett nicht.
Erzeugen die unerwünschten Ausbreitungsmodi Störungen beim empfangenden Wandler und weisen diese Modi eine andere Phasengeschwindigkeit oder eine sonstige unterscheidbare Eigenschaft auf, kann ein selektives Filter in den Pfad der Welle positioniert werden, bevor sie den empfangenden Wandler erreicht. Im vorliegenden Fall ist die am häufigsten zu erwartende unerwünschte Wellenform eine Welle mit vertikalen und horizontalen Komponenten, insbesondere eine Welle niederer Ordnung (Rayleigh- oder Lamb-Wellen niederer Ordnung). Daher kann ein selektives Filter in Form einer Serie beabstandeter Elemente vorgesehen werden, die auf der oberen Oberfläche oder beiden Oberflächen des Substrats angeordnet werden, um auf Grundlage der Wellenlänge, volumetrischen Energieverteilung und des Ausbreitungswinkels die erwünschte Welle durchzulassen und die unerwünschte zu dämpfen.
Ein modenselektives Filter kann auch durch ein Substrat bereitgestellt werden, das eine abgeschrägte Kante aufweist. In dem Maße, in dem das Substrat dünner wird, erhöhen sich die Grenzfrequenzen für HOHPS-Wellentypen. Mit Erhöhung der „Wellenleiter"-Grenzfrequenz vermindert sich die Gruppengeschwindigkeit. Ist das Substrat dünn genug, so dass die Grenzfrequenz der Betriebsfrequenz entspricht, wird die Gruppengeschwindigkeit Null und die Welle wird reflektiert. Dieser Reflektionspunkt ist für unterschiedliche Wellentypen in der Art verschieden, dass der Reflektionspunkt sich, je höher die Ordnung n des Wellentyps ist, um so weiter von der Kante des Substrats entfernt befindet. Eine akustische Welle verfügt über erhöhte Empfindlichkeit für absorbierende Materialien, die in der Nähe des Reflektionspunkts platziert sind.
Ist also eine HOHPS-Welle der Ordnung n erwünscht, z.B. der Ordnung n=4, wird die Welle der Ordnung n-1, z.B, der Ordnung n=3, die mit der nächsten Gruppengeschwindigkeit sein und die größte Interferenz erzeugen. Dieses Schema setzt natürlich voraus, dass die erwünschte Welle der Ordnung n>0 ist, da eine Schwerwelle der Ordnung Null nicht durch die Verjüngung einer abgeschrägten Kante reflektiert wird und somit für die Modenselektion nicht wirksam wäre. Auf einem Substrat mit einer abgeschrägten Kante wird ein absorbierendes Material, z.B. ein Dichtmittel, Klebstoff oder Band, das distal im Verhältnis zum Reflektionspunkt der Ordnung n=4 platziert ist, die Wellen n=0, 1, 2 und 3 filtrieren. Dieses Material kann auf einer oder beiden Seiten des Substrats angebracht werden. Um die Welle der Ordnung n+1 zu filtrieren, kann ein weiteres absorbierendes Material proximal zum Reflektionspunkt der Ordnung n angeordnet werden, das aufgrund der Konzentration der Wellenenergie und der niedrigen Phasengeschwindigkeit in diesem Punkt die Welle der Ordnung n+1 differenziell absorbieren wird. Daher kann der absorbierende Streifen an der abgeschrägten Kante am Ort der Reflektion der Welle der Ordnung n unterbrochen werden.
Das Konzept der abgeschrägten Kante kann auch verwendet werden, um HOHPS-Wellen der erwünschten Ordnung an einer Kante des Substrats durch Schmalstreifenwandler selektiv zu erregen und zu empfangen.
Die Abschrägung des Substrats kann in Form einer sich verengenden Facette oder Verjüngung auf einer oder beiden Seiten des Substrats vorgesehen werden. Diese Abschrägung kann auch in Systemen mit zwei Wandlern pro Achse, einem Wandler pro Achse und einem Wandler für beide Achsen verwendet werden. Die Abschrägung wird vorzugsweise jedoch nicht an Kanten vorgesehen, die auch reflektierende Elemente umfassen, es sei denn, die Welle wird zur Filtrierung in umgekehrter Richtung an die benachbarte Kante geleitet.
Somit kann die reflektierende Kante als Teil des modenselektiven Filters dienen. Dieses modenselektive Filter wird bevorzugt exakt parallel zur reflektierenden Anordnung beabstandet, um den richtigen Wellentyp zu verstärken und zurück entlang des erwünschten Pfads zu reflektieren.
ELEKTROPHYSIKALISCHE FILTRIERUNG
Alternativ werden, wie in 1G gezeigt, eine Mehrzahl empfangender Elemente vorgesehen, was die raumzeitliche Analyse der Wellenform gestattet, z.B. der empfangende Wandler weist ein intrinsisches selektives Filter für den selektiven Empfang einer Wellenform mit den erwünschten Eigenschaften auf.
Bevorzugt wird zwar der Einsatz des piezoelektrischen Empfangskristalls in komprimierendem Modus wie in 1C und 1G dargestellt, doch kann ein empfangender Wandler flach auf dem Substrat angeordnet sein, um ein Nutzsignal zu erzeugen. In diesem Fall wird bevorzugt, dass ein piezoelektrischer empfangender Wandler auf einer leitfähigen Schicht angebracht ist, wobei die Segmentierung oder Trennung der Wandlerbereiche durch Elemente auf der Oberfläche des Wandlers erbracht wird. In diesem Fall wird eine Serie von Elektroden auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Kristalls wie in 1H dargestellt ausgebildet, wobei es sich um einen PZT- oder Lithiumniobatkristall handelt, der mit θ_A/2 oder möglicherweise kleineren Intervallen der Wellenform beabstandet ist. Im Falle einer räumlichen Anordnung der um die Wellenlänge der Welle beabstandeten Wandlerelemente können dann alternierende Elektroden summiert oder getrennt analysiert werden, um die erwünschte Welle aus den unerwünschten Wellen auszuselektieren. Entspricht die Elektrodenbeabstandung nicht exakt der Hälfte der Wellenlänge, werden die einzelnen Elektrodenelemente getrennt analysiert.
Eine aus einem unerwünschten Schwerwellentyp abgeleitete VLCW wird sich im Substrat voraussichtlich auf einer anderen Achse ausbreiten als der erwünschte Wellentyp. Daher kann die Entfernung zwischen der reflektierenden Anordnung und dem empfangenden Wandler erhöht werden, um die räumliche Trennung der Wellen und somit die Selektivität des Wandlers zu erhöhen. In diesem Fall kann ein weiterer Wandler entlang der anderen Achse vorgesehen werden, um Informationen über die andere Welle zu empfangen. Somit dient die reflektierende Anordnung auch als physikalisches Filter.
VORTEILE
Somit bieten Berührungspositionssensoren gemäß vorliegender Erfindung einige oder alle der folgenden Vorteile: Einen höheren Signal-Geräusch-Abstand eines HOHPS-Berührungssensors im Vergleich zu einem mit horizontal polarisierten Scherwellen der Ordnung Null arbeitenden Berührungssensor, bei ansonsten identischen Parametern.
Vereinfachter Aufbau aufgrund des Nichtvorliegens von Berührungsempfindlichkeit auf der Unterseite des Substrats für Berührungen in Bereichen, in denen eine Quasi-Rayleigh-Welle die Wellenenergie auf der oberen Oberfläche trägt, so dass die Anbringung des Substrats auf der rückseitigen Oberfläche um die Kanten herum möglich ist.
Ein dickes Substrat, das den Einsatz gehärteten Glases von minderer Zerbrechlichkeit und höherer Festigkeit gestattet, d.h. mit einer Dicke von ca. 0,090" bis ca. 0,125". Die Bruchfestigkeit einer Scheibe ist proportional zum Quadrat seiner Dicke, während die Steifigkeit proportional zur Kubikzahl der Dicke ist. Dickes Glas lässt sich einfacher formen, insbesondere in Form zylindrischer und sphärischer Profile, um der Form von Elektronenstrahlröhren zu entsprechen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindungen werden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben:
1A ist eine perspektivische Ansicht einer bekannten Scheibe für die Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen;
1B ist eine stark vergrößerte perspektivische Ansicht einer akustischen Oberflächenwelle, welche sich in der bekannten Scheibe gemäß 1A ausbreitet;
1C ist eine seitliche Querschnittsansicht der bekannten Scheibe gemäß 1A, die den Charakter der in der Scheibe erzeugten Wellen veranschaulicht;
1D ist eine Darstellung einer Rayleigh-Welle,
1E ist eine Darstellung einer symmetrischen Lamb-Welle;
1F ist eine Darstellung einer antisymmetrischen Lamb-Welle;
1G ist eine Darstellung eines aus multiplen Elementen bestehenden empfangenden Wandlers;
1H ist eine Darstellung eines empfangenden Wandlers mit multiplen Elektroden;
2A ist eine perspektivische Ansicht einer Scherwellen ausbreitenden Scheibe gemäß vorliegender Erfindung;
2B ist eine stark vergrößerte perspektivische Ansicht einer in der Scheibe gemäß 2A sich ausbreitenden Scherwelle;
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Berührungspositionssensors des HOHPS-Wellentyp gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung;
4 ist eine Darstellung der reflektierenden Elemente unterschiedlicher Höhe, die eine reflektierende Anordnung gemäß 3 bilden;
5 ist ein Blockdiagramm, das den Signalverarbeitungsbereich des Berührungspositionssensors gemäß 3 darstellt;
6 ist ein Flussdiagramm, das den Positionsbestimmungsbetrieb des Sensors gemäß vorliegender Erfindung darstellt;
7 ist ein Flussdiagramm, das die von der Software-Routine gemäß 6 aufgerufene Berührungsabfühlroutine veranschaulicht;
8 ist eine grafische Darstellung der Wellenformen X und Y, die durch den Berührungspositionssensor gem. 3 erzeugt werden;
9 ist eine grafische Darstellung der Differenz der partiellen Empfindlichkeit einer Welle des HOHPS-Modus im Vergleich mit einer akustischen Oberflächenwelle;
10 ist eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des Berührungspositionssensors gemäß vorliegender Erfindung;
11 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des Berührungspositionssensors des HOHPS-Wellentyps gemäß vorliegender Erfindung;
12 ist eine grafische Darstellung der Wellenform, die durch den Sensor gemäß 11 erzeugt wird, im Vergleich mit der durch den Sensor gemäß 3 erzeugten Wellenform;
13 ist eine Draufsicht des Berührungspositionssensors gemäß 3 mit darauf angeordneten Reflektoren für die Unterdrückung unerwünschter Wellentypen;
14 ist eine Draufsicht des Berührungspositionssensors gemäß 3 mit darauf angeordneten absorbierenden Streifen;
15 ist ein Flussdiagramm, das ein automatisches Installationsprogramm, das durch den in 5 dargestellten Computer durchgeführt wird, darstellt;
16 ist eine Draufsicht eines Berührungspositionssensors gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
17 ist eine perspektivische Ansicht eines modenselektiven laminierten Filters;
18 ist ein Blockdiagramm einer Wandler-Schnittstellenschaltung;
19 ist eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels mit einem Love-Wellensensor.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
SUBSTRAT
Der Berührungspositionssensor gemäß vorliegender Erfindung umfasst ein Substrat 10, das in der Lage ist, eine Scherwelle 12, wie schematisch in 2A dargestellt, auszubreiten. Das Substrat 10 besteht aus transparentem Natronkalkglas mit einer Dicke von 0,090" in Form einer flachen Scheibe.
Das Natronkalkglassubstrat 10 kann wahlweise gehärtet sein, obgleich für die Ausbildung der Oberflächenmerkmale und dergleichen, wie etwa die Anordnung 28 reflektierender Elemente oder Filterelemente, aufgrund der hohen Temperaturen bei der Härtung der Fritte, welche über der Glühtemperatur des Glassubstrats liegen, eine Glasfritte nicht verwendet werden kann.
WANDLER
Um eine sich in Richtung X ausbreitende Scherwelle zu erzeugen, wird ein piezoelektrischer Wandler 14 gemäß
1A angebracht, um eine Welle des Quasi-Rayleigh-Typs zu erzeugen, d.h. eine Welle mit vertikalen und longitudinalen Komponenten, die sich in der Achse Y des Substrats 10 ausbreitet, wobei die Wellenenergie grundsätzlich auf einen Bereich nahe der Oberfläche des Substrats begrenzt ist. Der Wandler 14 reagiert auf ein Treibsignal, um eine Oszillation hervorzurufen, die auf das Substrat geleitet wird. Diese Welle des Quasi-Rayleigh-Typs wird durch die reflektierende Anordnung in eine Scherwelle verwandelt, die sich entlang der Achse Y ausbreitet.
Wie in 1A und C dargestellt, werden akustische Oberflächenwellen mittels eines piezoelektrischen Wandlers, der auf einem Plastikkeil angebracht ist, welcher seinerseits auf der Berührungsoberfläche der Scheibe angeordnet ist, in das Substrat übertragen. Der Wandler vibriert und erzeugt eine Druckkörperwelle, die sich entlang der Achse in Normalenrichtung zur Grenzfläche des Wandlers und zum Plastikkeil ausbreitet. Die Welle breitet sich im Keil aus, um eine akustische Oberflächenwelle mit vertikalen und longitudinalen Komponenten, d.h. eine VLCW, im Substrat zu erzeugen. Der Keil befindet sich oben auf der Scheibe, und somit bleiben die Rückseite oder inaktive Seite des Substrats und dessen Kanten frei von Schaltungen oder kritischen Elementen. Des weiteren ist der Bereich des Substrats, in dem die Wellenenergie in Form von Wellen des Rayleigh- oder Quasi-Rayleigh-Typs vorliegt, gegenüber der Halterung auf der gegenüberliegenden inaktiven Oberfläche unempfindlich. Der piezoelektrische Wandler wird mit dem Plastikkeil verbunden und dieser Plastikkeil mit dem Wandler dann mit der Berührungsscheibe aus Glas verbunden. Eine leitfähige Schicht wird zwischen dem Plastikkeil und dem piezoelektrischen Wandler eingefügt, um eine geeignete elektrische Verbindung zu bilden.
Anhand einer einfachen Anordnung, welche die durch eine Berührung ausgelöste Dämpfung einer Quasi-Rayleigh-Welle mit der einer Scherwellen vergleicht, wurde die Quasi-Rayleigh-Welle in einem Substrat mit der Dicke 0,040" von 4,8V auf 3,2V gedämpft, eine Reduktion um 33,3. Eine Scherwelle in einem Substrat mit einer Dicke von 0,090" wurde von 1,5V auf 1,4V gedämpft, eine Reduktion um 6,6%. Um die gleiche Empfindlichkeit zu erzielen, muss daher die Burst-Amplitude zum Wandler in einem Scherwellensystem ca. fünfmal höher sein, d.h. plus 14dB. Es wurde berechnet, dass für einen Scherwellensensor in einem Substrat mit einer Dicke von 0,040" eine Erhöhung um etwa 20 log (0,090"/0,040") = 3,5dB benötigt wird. Erhöhte Empfindlichkeit lässt sich auch durch Erhöhung der Burst-Länge des Erregungssignals erzielen.
Im Vergleich zu einem Berührungssensorsystem des Quasi-Rayleigh-Typs mit einem 0,040" dicken Substrat, muss die Wandler-Burst-Amplitude für einen Scherwellen-Sensor bei einem 0,040" dicken Substrat ca. 1,67 Mal (+4,5dB) höher sein, und für einen Scherwellensensor mit einem 0,090" dicken Substrat ca. 5 Mal (+14dB) höher.
REFLEKTIERENDE ANORDNUNG
Eine reflektierende Testanordnung mit kontinuierlich variierenden Reflektorenwinkeln in verschiedenen Bereichen des Substrats dient der Erzeugung charakteristischer Scherwellenkeulen, die eine Sequenz von Ordnungen aufweisen, die sich im rechten Winkel zur Achse der reflektierenden Anordnung ausbreiten. Dagegen werden HOHPS-Wellen der gleichen Ordnung in einem anderen Winkel ausgerichtet, der dem Winkel der Elemente der reflektierenden Anordnung entspricht. Eine solche reflektierende Testanordnung dient der Bestimmung des optimalen Winkels der reflektierenden Elemente für eine gegebene Substratgestaltung. Die verschiedenen Wellen können durch einen Sondensensor detektiert werden, der auf der Oberfläche des Substrats angebracht ist.
Entsprechend wirkt eine reflektierende Anordnung mit festgelegten Reflektorwinkeln als lineares Streugitter, das Wellen unterschiedlicher Phasengeschwindigkeiten in unterschiedliche Winkelrichtungen lenkt, wobei die schnelleren Phasengeschwindigkeiten in einem spitzeren Winkel abgestrahlt werden. Eine solche Anordnung ist für den Einsatz als Berührungssensor geeignet.
Die reflektierende Anordnung wird aus einer Serie mit Siebdruck erzeugter Glasfrittenlinien gebildet, die in einem Winkel von 52° gegenüber der Achse der Wellenausbreitung angeordnet sind. Die Fritte wird in einem späteren Arbeitsgang in einem Ofen gehärtet, bevor die Wandler und Plastikkeile auf das Substrat aufgebracht werden. Diese Linien sind in gleichmäßigen Intervallen beabstandet, die der Wellenlänge der übertragenen Welle entsprechen. Das Substrat wird dann gebacken, um die Fritte zu verschmelzen. Das Volumen der Fritte wird mit zunehmender Entfernung vom Wandler erhöht, um eine einheitliche reflektierte Energiedichte zu gewährleisten. Die reflektierenden Elemente werden im Hinblick auf den Wandler und die erwartete Berührungsrichtung auf der oberen Oberfläche des Substrats ausgebildet. Selbstverständlich können auch andere Konfigurationen reflektierender Elemente eingesetzt werden.
ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL EINES SENSORSYSTEMS
3 zeigt einen Berührungspositionssensor 16 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem Paar übertragender und empfangender Wandler 18,20 und 22,24, die jeweils jeder Achse zugeordnet sind, für die eine Koordinate bestimmt werden soll. Obgleich der Berührungspositionssensor 16 vier Wandler 18,20 und 22,24 aufweist, die jeweils der Achse X und der Achse Y zugeordnet sind, so dass sowohl die Koordinaten X und Y einer Berührung bestimmt werden können, ist es möglich, sofern nur eine einzige Koordinate gewünscht ist, z.B. eine Koordinate auf der X-Achse, die Wandler 22 und 24 für die Y-Achse zu eliminieren. Die Wandler sind Plastikkeile, an denen auf einem leitfähigen Polster auf einer Oberfläche des Keils ein piezoelektrisches Element angebracht ist. Die Keile werden in gewohnter Weise mit einem Klebstoff auf dem Substrat aufgebracht und so ausgerichtet, dass der piezoelektrische Wandler eine Kompressionswelle im Keil erzeugt oder empfängt, die zu oder aus einer VLCW im Glassubstrat gewandelt wird, die sich entlang der Achse der reflektierenden Anordnung ausbreitet.
Der übertragende Wandler 18 überträgt eine VLCW, die sich entlang der Achse X zu einer Anordnung 28 mit reflektierenden Elementen bewegt, wie nachstehend im einzelnen beschrieben. Jedes Element der reflektierenden Anordnung 18 ist in einem Winkel angeordnet, der so gewählt wurde, um eine bestimmte HOHPS-Welle über/durch das Substrat in Normalenrichtung zur Achse der VLCW-Ausbreitung zu lenken. Dieser Winkel der reflektierenden Elemente beträgt in einem Natronkalkglassubstrat mit einer Dicke von 0,090" ca. 52° zur Achse der Wellenausbreitung. Somit breitet sich die reflektierte HOHPS-Welle in Richtung Y zu einem korrespondierenden reflektierenden Element aus, das in einer reflektierenden Anordnung 30 angeordnet ist. Die Anordnung reflektierender Elemente 30 ist entlang einer Achse angeordnet, die parallel zu der Achse verläuft, auf welcher die reflektierende Anordnung 28 angeordnet ist. Jedes der reflektierenden Elemente der Anordnung 30 ist in einem korrespondierenden Winkel zur ersten Anordnung eingerichtet, z.B. ca. –52° zur Ausbreitungsachse in Hinblick auf die Achse X. Die in Y-Richtung von der reflektierenden Anordnung 28 sich ausbreitende HOHPS-Welle wird somit in eine VLCW gewandelt und entlang der X-Achse zum empfangenden Wandler 20 geleitet. Der empfangende Wandler ist konventionell auf der oberen Seite des Substrats 10 im rechten Winkel zur Anordnung 30 angeordnet, um ein Signal bereitzustellen, das die VLCW repräsentiert.
Um die Y-Achse zu bestimmen, wird der Y übertragende Wandler 22 entsprechend auf der oberen Oberfläche des Substrats 10 angeordnet. Der übertragende Wandler 22 vibriert, um eine VLCW zu übertragen, die entlang der Y-Achse zu einer Anordnung 34 reflektierender Elemente strömt, wie im Folgenden detailliert beschrieben. Die Systeme für die X- und Y-Achse sind sich ähnlich. Jedes Element der reflektierenden Anordnung 34 ist in einem Winkel von ca. 52° zur Achse der Wellenausbreitung angeordnet, um einen Teil einer einfallenden VLCW in die Richtung Y zu entsprechenden reflektierenden Elementen zu reflektieren, die in einer reflektierenden Anordnung 36 angeordnet sind. Die Anordnung 36 reflektierender Elemente ist entlang einer Achse angeordnet, die parallel zu der Achse verläuft, auf welcher die reflektierenden Anordnung 34 angeordnet ist. Jedes der reflektierenden Elemente in der Anordnung 36 ist in einem Winkel angeordnet, der mit dem Winkel der übertragenden Anordnung korrespondiert, d.h. ca. –52° gegenüber der Achse der Anordnung 36, um eine VLCW zu reflektieren, die sich in Richtung X von der reflektierenden Anordnung 34 zum empfangenden Wandler 24 ausbreitet. Der empfangende Wandler 24 ist in bekannter Weise auf der oberen Seite des Substrats 10 in rechtem Winkel zu Achse der Anordnung 36 angeordnet, um eine von der Anordnung 36 reflektierte eintreffende VLCW abzufühlen und ein die VLCW repräsentierendes Signal bereitzustellen.
Die reflektierenden Elemente in den Anordnungen 28 und 30 definieren charakteristische Pfadlängen entlang der Achse des Substrats in solcher Weise, dass HOHPS-Wellen, die von jedem aufeinanderfolgenden Element in der Anordnung 28 reflektiert werden, Pfaden zum empfangenden Wandler 20 folgen, die zunehmend länger werden, d, h., eine zunehmend längere Zeitverzögerung/Laufzeit aufweisen.
Gemäß den bevorzugten Gestaltungsparametern, z.B. horizontal polarisierte Scherwellen 4. Ordnung, die sich in einer Natronkalkglasscheibe der Dicke 0,090" ausbreiten, die mittels Flussverfahren hergestellt wurde, wobei die Wandler bei 5,53MHz arbeiten, beträgt im vorliegenden System der Winkel der Elemente der reflektierenden Anordnung zur Achse der einfallenden Wellenausbreitung ca. 52° von der Ausbreitungsachse, obwohl kleinere Modifikationen der Gestaltung diesen Winkel ändern können.
Abschnitte jedes der durch die reflektierenden Anordnungen 28 und 30 definierten Pfade erstrecken sich parallel über das Substrat 10 in Richtung Y, wobei jeder parallele Pfadabschnitt eine X-Koordinate definiert. Die reflektierenden Elemente in den Anordnungen 34 und 36 definieren entsprechend einen Satz von Pfaden unterschiedlicher Länge in solcher Weise, dass die von jedem aufeinanderfolgenden Element in der Anordnung 34 reflektierten HOHPS-Wellen Pfaden zum Empfänger 24 folgen, die progressiv länger sind. Abschnitte jeder der durch die Anordnungen 34 und 36 definierten Pfade erstrecken sich parallel über das Substrat 10 in Richtung X, wobei jeder parallele Pfadabschnitt eine Y-Koordinate definiert.
Die X- und Y-Signale, die von den jeweiligen empfangenden Wandlern 20 und 24 erzeugt werden, sind in 8 dargestellt, wobei reflektierende Anordnungen 28,30, 34 und 36 variabler Höhe und/oder Beabstandung eingesetzt werden, um X- und Y-Signale bereitzustellen, deren Amplituden im Wesentlichen im Zeitverlauf konstant bleiben, wie nachstehend erörtert. In Hinblick auf das X-Achsen-Signal trifft, wenn eine VLCW vom Wandler 18 beginnend im Zeitpunkt t₀ erzeugt wird, die erste vom Wandler 20 empfangene VLCW zu einem Zeitpunkt ein, der 2t₁+t₂+t₀ entspricht, wobei t₁ die Zeit ist, die eine VLCW benötigt, um von der Substratseite 26 zum ersten reflektierenden Element der Anordnung 28 zu gelangen und auch die Zeit, die die VLCW benötigt, um von ersten reflektierenden Element in der Anordnung 30 auf die Seite 26 zu gelangen, wo sie vom Wandler 20 abgefühlt wird. In der Gleichung ist t₂ die Zeit, die die HOHPS-Welle des gewählten Typs benötigt, um über/durch das Substrat 10 in Richtung Y zu gelangen. Der vom letzten Element in der reflektierenden Anordnung 28 reflektierte und vom letzten Element in der reflektierenden Anordnung 30 empfangene Teil der HOHPS-Welle wird zum Zeitpunkt 2t₁+t₂+2t₃+t₀ empfangen, wobei t₃ die Zeit ist, die eine VLCW benötigt, um in Richtung X zwischen dem ersten Element der reflektierenden Anordnung 28 und dem letzten Element der reflektierenden Anordnung 28 zu strömen, sowie auch die Zeit ist, die eine VLCW benötigt, um in Richtung X zwischen dem letzten Element der Anordnung 30 und dem ersten Element derselben zu strömen. Erzeugt der Wandler 22 eine VLCW zum Zeitpunkt t₀, empfängt der empfangende Wandler 24 entsprechend die erste von den Anordnungen 34 und 36 reflektierte VLCW zu einem Zeitpunkt 2t₁+t₃+t₀ und der empfangende Wandler 24 empfängt die letzte von den Anordnungen 34, 36 reflektierte VLCW zum Zeitpunkt 2t+t₃+2t₂+t₀. Jeder Wert t_x zwischen 2t₁+t₂+t₀ und 2t₁+t₂+2t₃+t₀ repräsentiert eine Koordinate entlang der X-Achse; wohingegen jeder Zeitwert t_y zwischen 2t₁+t₃+t₀ und 2t₁+t₃+2t₂+t₀ eine Koordinate entlang der Y-Achse repräsentiert. Anzumerken ist, dass im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Zeitpunkt, zu dem das Treibsignal an den die Y-Achse übertragenden Wandler 22 angelegt wird, ein Zeitpunkt ist, der auf das Anlegen des Treibsignals an den die X-Achse übertragenden Wandler 18 folgt, sowie auch auf den Zeitpunkt folgt, zu dem der die X-Achse empfangende Wandler 20 die letzte durch die Anordnungen 28 und 30 reflektierte HOHPS-Welle empfängt, um Interferenz zu reduzieren.
Eine Berührung auf der äußeren, d.h. oberen Oberfläche 10⁶ oder auf der inneren, d.h. unteren Oberfläche 42 des Substrats 10 absorbiert einen Anteil der Energie der im Substrat in Nähe der berührten Position passierenden HOHPS-Wellen. Diese partielle Absorption von Energie erzeugt eine Störung in der HOHPS-Welle, deren Energie absorbiert wird, wobei die Störung ausgedrückt wird durch eine Änderung in der Amplitude der durch die empfangenden Wandler 20 und 24 erzeugten Signale. Zum Beispiel werden die Koordinaten einer Berührung auf der oberen oder unteren Oberfläche des Substrats 10 durch die Zeitpunkte des Eintritts der Störungen der X- und Y-Wandlersignale jeweils bei t_tx, t_ty in 8 dargestellt. Die zwischen den Wandlern und den reflektierenden Anordnungen verlaufende VLCW ist nur auf der oberen Oberfläche berührungsempfindlich, d.h. der Oberfläche, auf der die reflektierende Anordnung ausgebildet ist, und eine Berührung im Bereich der Ausbreitung dieser Wellen auf der unteren Seite der Anordnung ruft keine wesentliche Störung der empfangenen Wellenform hervor, wodurch die Anbringung des Substrats erleichtert wird.
Das Steuerungssystem für den Einsatz zur Bestimmung einer Berührungsposition unter Verwendung einer VLCW-HOHPS-VLCW-Technik kann im Allgemeinen mit bestehender und bekannter Berührungsfeldsteuertechnik verwendet werden. Da die Wandler und auch die von den Wandlern übertragenen und empfangenen Signale sich ähneln, erfordert der Sensor gemäß vorliegender Erfindung keine bedeutenden Änderungen der Steuereinheit. Zu beachten ist jedoch, dass aufgrund der Möglichkeit von Interferenz und Multipfad-Reflektion eine hochanspruchsvolle Gestaltung der Steuerungseinrichtung Vorteile wie reduzierte Kosten, erhöhten Signal-Geräusch-Abstand, erhöhte Berührungsempfindlichkeit, schnellere Reaktionen und verminderte Häufigkeit und Schwere von Artefakten bieten kann.
STEUERUNGSSYSTEM
Das Steuerungssystem des Berührungspositionssensors gemäß 5 ist ein digitaler Mikrocomputer, in dem Programmanweisungen in einem nicht-volatilen Speicher gespeichert sind. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um einen 8bit-Mikro-Controller mit internen CPU, RAM, Zählern und Zeitgebern und möglicherweise weiteren Funktionen. Zum Beispiel kann ein Standard-Mikrocomputer des Typs 8052 eingesetzt werden. Alternative Ausführungsbeispiele zählen ebenfalls zum Umfang der vorliegenden Erfindung. Die Steuereinheit steuert die Zuführung der Treibsignale zu den Wandlern 18 und 22 und bestimmt die Koordinaten einer Berührung auf dem Substrat 10 aus den Zeitpunkten des Eintritts t_tx und t_ty der die Berührung repräsentierenden Signalstörungen. Die Berührungsscheibe 70 gemäß 5 umfasst das Substrat 10, die X und Y übertragenden Wandler 18 und 20, die X und Y empfangenden Wandler 20 und 24 und die reflektierenden Anordnungen 28, 30, 34 und 36. Ein Hauptrechner 72, zu dem ein Mikroprozessor oder dergleichen gehören kann, löst einen Abfühlzyklus der Berührungsscheibe 70 durch Anweisung an eine Steuereinheit 74 aus. Die Steuereinheit 74 reagiert auf eine Anweisung vom Computer 72 zur Auslösung eines Abfühlzyklus, um ein Treibsignal an den X-übertragenden Wandler 18 durch einen X-Treiber 76 zu übertragen, worin die Zeitgebung der Steuereinheit 74 durch eine Uhr/Oszillator 78 vorgegeben wird. Das am Wandler 18 angelegte Treibsignal ist ein Burst-Treibsignal in Form einer Sinuswelle, deren Zyklenzahl der Breite der Anordnung 28 geteilt durch eine Konstante entspricht. Geeignete Treiberschaltungen sind auch in der US 4,644,100 und Re. 33,151 beschrieben. Die Steuereinheit 74 setzt auch einen X/Y-Schalter 80 in X-Position, um den X-empfangenden Wandler 20 mit einem Hochfrequenzverstärker (HF-Verstärker) 82 zu koppeln. Werden die von den Anordnungen 28 und 30 reflektierten VLCW vom Wandler 20 abgefühlt, erzeugt der Wandler 20 ein X-Achsensignal, das diese Welle repräsentiert und durch Schalter 80 mit dem Verstärker 82 gekoppelt wird. Die verstärkte X-Achsensignalausgabe des Verstärkers 82 wird einem Demodulator 84 zugeführt, der die alternierende Komponente des verstärkten X-Achsensignals entfernt, um wie in 8 dargestellt eine Hüllkurven-Wellenform zu erhalten. Der Ausgang des Demodulators 84 ist mit einer Grenzwerteinrichtung 86 gekoppelt, die ein Ausgangssignal liefert, das auf den Eingang folgt, wenn das Eingangssignal der Vorrichtung 86 über deren Grenzwert liegt. Liegt das Eingangssignal unter dem Grenzwert, folgt das Ausgangssignal der Grenzwerteinrichtung 86 dagegen dem Eingangssignal nicht. Der Ausgang der Grenzwerteinrichtung 86 wird zu einem Analog-Digital-Wandler 88 übertragen, dessen Ausgang mit einem Puffer 90 an einen internen Bus 91 gekoppelt ist. Die Steuereinheit 74 speichert die Digitaldatenausgabe des Analog-Digital-Wandlers 88 in einer statischen RAM 92 (Random Access Memory) in solcher Weise, dass ein Wert, welcher der Amplitude des X-Rchsen-Signals in jedem Zeitpunkt t_x gemäß Abtastung im Analog-Digital-Wandler 88 entspricht, an einem Ort in der statischen RAM 9 gespeichert wird, der die statische RAM 92 repräsentiert, welche den betreffenden Zeitpunkt repräsentiert.
Nachdem die X-Achsendaten in der statischen RAM 92 gespeichert sind, steuert die Steuereinheit 74 den Y-Treiber 76, um ein Burst-Treibsignal an den die Y-Achse übertragenden Wandler 22 der Berührungsscheibe 70 anzulegen. Die Steuereinheit 74 verändert auch den Status des X/Y-Schalters 80, so dass der Y-empfangende Wandler 24 mit dem HF-Verstärker 82 gekoppelt ist. Die Digitaldaten, die das Y-Achsensignal als Ausgabe des Analog-Digital-Wandlers 88 repräsentieren, werden ebenfalls in der statischen RAM 92 dergestalt gespeichert, dass ein Wert, der die Amplitude des Y-Achsensignals zu jedem Zeitpunkt t_y, laut Abtastung durch den Analog-Digital-Wandler 88 darstellt, an einem Ort der statischen RAM 92 gespeichert wird, der den Zeitpunkt repräsentiert.
Im Zuge eines Initialisierungsprozesses reagiert der Hauptcomputer 22 auf die in der statischen RAM 92 für eine unberührte Scheibe 70 gespeicherten Werte, um die Verstärkung im HF-Verstärker 82 über einen Puffer 94 einzustellen, dessen Ausgang mit einem Digital-Analog-Wandler 96 gekoppelt ist. Die Grenzwerteinrichtung 86 verschiebt in Kombination mit der durch die Rückkopplungsschleife 98 bereitgestellten automatischen Verstärkungsregelung die Nullebene des Basisbandechos, um die Amplitudendifferenz des Ausgangssignals des Wandlers, die einen berührten Punkt und einen unberührten Punkt repräsentiert, zu erhöhen, so dass sich ein berührter Punkt einfacher detektieren lässt. Diese Technik ist möglich, da der Signal-Geräusch-Abstand der im aktiven Bereich des Substrats durch die reflektierenden Anordnungen aus der VLCW erzeugten HOHPS-Wellen ausreichend hoch ist. Diese Eigenschaft gleicht daher zum Teil die geringere partielle Empfindlichkeit einer HOHPS-Welle im Vergleich zu einer Quasi-Rayleigh-Welle (im aktiven Bereich des Substrats) aus, wie in 9 dargestellt.
Der Betrieb des Hauptcomputers 72 zur Bestimmung der Position einer Berührung auf der Berührungsscheibe 70 ist in 6 dargestellt. Im Zuge der Initialisierung des Systems wird ein Abfühlzyklus für eine unberührte Scheibe 70 durchgeführt, wobei die Werte der X- und Y-Amplituden in der statischen RAM 92 als Basislinie für die Zeiten t_x0 und t_y0 gespeichert sind. Während des Initialisierungsprozesses werden die X- und Y-Amplitudenwerte für jeden festgestellten Zeitpunkt t_x0 und t_y0 aus der statischen RAM 92 ausgelesen und in einer RAM 101 des Hauptcomputers 72 gespeichert. Nach Abschluss der Initialisierung stellt der Hauptcomputer 72 in einem Block 100 die Werte für t_tx und t_ty auf 0 und die Variablen X und Y auf 1. Danach ruft der Computer 72 in Block 102 eine Berührungsabfühlroutine auf, wie in 7 dargestellt. Diese Berührungsabfühlroutine ist eine Routine des Typs „Beenden und abrufbereit bleiben" [speicherresidentes Programm], d.h. eine Routine, welche periodisch durchgeführt wird, ohne neu geladen zu werden, und im RAM 101 des Hauptcomputers 72 gespeichert ist. Der Hauptcomputer 72 setzt gemäß der Berührungsabfühlroutine in einem Block 104 den Wert der automatischen Verstärkungsregelung für den HF-Verstärker 82 für die X-Achse auf den nach der Initialisierung bestimmten Wert. Daraufhin löst der Hauptcomputer 72 in Block 106 einen Abfühl-Burst für die X-Achse durch entsprechende Anweisung an Steuereinheit 74 aus. Nachdem die X-Achsenwerte für die Zeitpunkte t_x in der statischen RAM 92 gespeichert sind, setzt der Computer 72 in einem Block 107 den automatischen Verstärkungsfaktorwert für den Y-Kanal und weist die Steuereinheit 74 in Block 108 an, einen Abfühlvorgang für die Y-Achse auszulösen. Nachdem die Y-Achsenwerte für die Zeitpunkte t_y in der statischen RAM 92 gespeichert sind, liest der Computer 72 in Block 110 jeden der für die Zeitpunkte t_x und t_y in der statischen RAM 92 gespeicherten Amplitudenwerte in einen Bereich der RAM 101 ein. Danach kehrt der Computer 72 in Block 112 zu der in 6 dargestellten Routine zurück. Die statische RAM 92 dient als Puffer für den Empfang der Daten vom empfangenden Wandler und ermöglicht es somit dem Computer 72, mit einer langsameren Datenrate zu arbeiten als jener, die für das Datenerfassungs-Subsystem erforderlich ist.
Nachdem die Amplitudenwerte der X- und Y-Achsen für die Zeitpunkte t_x und t_y aus der statischen RAM 92 in die RAM 101 des Hauptcomputers eingelesen worden sind, bestimmt der Hauptcomputer 72 in Block 114 einen Differenzwert t_x0 aus der Differenz zwischen dem für t_x gespeicherten Amplitudenwert, wofür x im Block 100 auf 1 initialisiert worden war, sowie dem für t_x0 gespeicherten Amplitudenwert, d.h. für x=1, t₁₀, wobei t₁₀ den ersten festgestellten Zeitpunkt in der Initialisierungsroutine repräsentiert. Danach bestimmt der Computer in Block 116, ob der Differenzwert t_xD größer als ein Grenzwert (Schwellenwert) ist, und bestimmt, soweit dies der Fall ist, in Block 118, ob der Differenzwert t_xD größer ist als Dx, das den größten für die X-Achse detektierten Differenzwert repräsentiert. Ist t_xD größer als Dx, setzt der Computer 72 in Block 120 Dx gleich dem Differenzwert t_xD und den Eintrittszeitpunkt t_tx des Differenzwerts gleich t_x. Der Computer 72 erhöht in Block 122 x um 1, und wenn x nicht größer ist als N, d.h. die Anzahl der abgetasteten Zeitpunkte für die X-Achse, wie vom Computer 72 im Block 124 festgestellt, kehrt der Computer 72 zu Block 114 zurück, um den nächsten Differenzwert zu bestimmen. Nachdem für jeden durch den Analog-Digital-Wandler 88 abgetasteten Zeitpunkt, für den Amplitudenwerte in der RAM 101 gespeichert sind, in Block 114 Differenzwerte bestimmt worden sind, ermittelt der Computer 72 in Block 126, ob t_tx, der Zeitpunkt des Eintritts der größten Amplitudendifferenz Dx, gleich Null ist oder nicht. Ist t_tx=0 und zeigt somit an, dass auf der X-Achse keine Berührung detektiert wird, verlässt der Computer 72 die Routine in einem Block 127. Ist dagegen der Wert t_tx nicht gleich Null, was eine Berührung, deren Eintritt zum Zeitpunkt t_tx erfolgt ist, anzeigt, geht der Computer 72 zu Block 128.
In Block 128 vergleicht der Computer 72 die zum Zeitpunkt t_y gespeicherte Amplitude mit dem für den gleichen Zeitpunkt t_y0 gespeicherten Initialisierungswert und speichert die Differenz zwischen diesen Werten als t_yD. In Block 130 vergleicht der Computer 72 t_yD mit einem Schwellenwert, und wenn t_xD größer als der Schwellenwert ist, vergleicht der Computer 72 in Block 132 t_yD mit Dy, dem Wert der höchsten in Block 128 für das Y-Achsensignal berechneten Differenz. Soweit in Block 132 bestimmt wurde, dass t_yD größer ist als Dy, setzt der Computer 72 in Block 134 den Wert Dy gleich t_yD und den Zeitpunkt des Eintritts t_ty des größten Differenzsignals Dy gleich t_y. In Block 136 erhöht der Computer 72 die Variable y um 1 und vergleicht in Block 138y mit der Anzahl Z der Abtastpunkte für das Y-Achsensignal. Ist y kleiner als oder gleich Z, kehrt der Computer 72 zu Block 128 zurück. Ist y größer als Z, und zeigt somit an, dass ein Differenzsignal für jeden Abtastpunkt auf der Y-Achse kalkuliert worden ist, bestimmt der Computer 72 in Block 140 die X- und Y-Koordinaten einer Berührung aus den Werten von t_tx und t_ty. Danach verlässt der Computer 72 in Block 142 die Routine.
Die Größe des Berührungstabletts kann auch gemäß dem Flussdiagramm in 15 automatisch bestimmt werden, so dass Berührungstablette unterschiedlicher Abmessungen mit der vorgegebenen Software für die Steuerung des Mikroprozessors und der gleichen Elektronik eingesetzt werden können und die Größe des Tabletts zum Zeitpunkt der Installation oder des Einsatzes festgelegt werden kann. Nach Eingabe des automatischen Installationsprogramms, weist der Computer 72 im Block 200 die Steuereinheit 74 an, ein Treibsignal an den übertragenden Wandler 18 zu senden, um die Übertragung eines Bursts zur Anordnung 28 zu veranlassen, wobei der Computer 72 den Zeitpunkt speichert, zu dem das erste Burst-Signal gesendet wird. Danach speichert der Computer 72 im Block 202 den Zeitpunkt, zu dem das erste Signal vom Empfänger 20 empfangen wird. Der Computer 72 speichert im Block 204 den Zeitpunkt, zu dem das letzte Signal, das in Reaktion auf den ersten übertragenen Burst erzeugt worden war, vom empfangenden Wandler 20 empfangen wurde. Danach berechnet der Computer 72 anhand der Geschwindigkeit der Welle durch das Substrat 10, welche bekannt ist, in Block 206 die von den ersten und letzten reflektierten Wellen zurückgelegte Entfernung aus den in Block 200 gespeicherten Zeiten in Kombination mit den in den entsprechenden Blöcken 201 und 204 gespeicherten Zeiten. Der Computer 72 bestimmt insbesondere die Abmessungen des Berührungstabletts entlang der Y-Achse aus den in den Blöcken 200 und 202 gespeicherten Zeiten. Ferner bestimmt der Computer 72 die Abmessungen der Berührungsscheibe entlang der X-Achse aus der in Block 206 gespeicherten Zeit und den in den Blöcken 200 und 202 gespeicherten Zeiten. In Block 208 nutzt der Computer 72 die kalkulierte Größe des Berührungstabletts, um die anschließend detektierten Berührungskoordinaten automatisch zu berichtigen.
Die reflektierenden Anordnungen 28, 30, 34 und 36 werden durch Aufbringung von Glasfritten durch eine Schablone auf der oberen Oberfläche 40 des Substrats 10 gebildet. Die Fritten der reflektierenden Anordnung können im gleichen Zyklus ausgebildet werden wie die anderen Fritten, die gegebenenfalls auf dem Substrat ausgebildet werden. In anderen Ausführungsbeispielen vorliegender Erfindung werden leitfähige Fritten beispielsweise verwendet, um die Wandler direkt ohne Plastikkeil mit dem Substrat zu verbinden. Auch können die reflektierenden Anordnungen aus Metall gebildet sein und mit der oberen Fläche 40 des Substrats 10 verbunden werden.
Die Schaltungen können auch auf andere Weise mit bekannten Verfahren implementiert werden. Bevorzugt werden ASIC [anwendungsspezifische integrierte Schaltungen] für die Implementierung des überwiegenden Teils der Funktionalität, wobei eine Vorrichtung die wesentlichen digitalen Steuerschaltkreise und eine andere Vorrichtung die analogen Sende- und Empfangsschaltungen umfasst, mit getrenntem Analog-Digital-Wandler, RAM und Controller, welche Standardausführung haben können. Eine andere Aufteilung der Vorrichtungen in Pakete ist ebenfalls möglich, und auch kann eine Ausgestaltung mit einem einzigen Chip nützlich sein, die sowohl die digitalen Schaltkreise als auch die analogen Schwachstromschaltkreise umfasst.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erbringt ein Digitalregler die ganze Steuer- und Verarbeitungsleistung sowie die Sensorausgabe. Dieser Digitalregler in Form eines Mikroprozessors bietet eine Schnittstelle zu externen Systemen, detektiert Verunreinigungen auf dem Substrat und steuert den zeitlichen Ablauf von Ereignissen des Neulernens und der Wiederverarbeitung. Ein ASIC wird bereitgestellt, das den normalen Betrieb des Sensors steuert, Burst- und Erfassungszyklen umsetzt, die Daten über das Bestehen von Berührung hinsichtlich Ort und Umfang bestimmt und verschiedene Verstärkungsfaktoren von verstärkungsgesteuerten Elementen regelt. Zusätzlich wird eine analoge ASIC bereitgestellt, die die Signale von den Wandlern verstärkt und konditioniert.
Das System kann eine digitale Filtertopologie für die Bestimmung eines Signal-Impulsbodens des empfangenen Signals umfassen, die automatisch langsame Änderungen von Umgebungsfaktoren ausgleicht und gleichzeitig empfindlich auf Berührung reagiert.
Das Detektionssystem kann auch eine synchrone Detektion, Homodyn- oder Superheterodyn-Empfänger, volldigitale Domain-Verarbeitung, Schaltkondensatorfilter und SAW-Filter umfassen.
Werden aus mehreren Elementen bestehende Empfangswandler eingesetzt, können die Signale elektronisch in einem analogen Vorverstärker kombiniert oder die einzelnen Signale getrennt verarbeitet werden. Die Konfiguration des empfangenden Wandlers kann den selektiven Empfang eines erwünschten Signals gestatten. Im Falle der getrennten Verarbeitung können die Signale anschließend durch einen ZF-Mischer abwärtsgewandelt und danach in der digitalen Domain verarbeitet werden, um größere Flexibilität zu ermöglichen, wie zum Beispiel die Kapazität für unterschiedliche Betriebsfrequenzen und erhöhte Signal-Geräusch-Abstände.
SCHNITTSTELLE DES WANDLERS
Der übertragende Wandler ist ein piezoelektrisches Element mit leitenden Elementen auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen, welches Druckwellen erzeugt, wenn es durch ein Hochspannungssignal, z.B. ca. 100V–500V erregt wird. Diese hohen Spannungen sind erforderlich, um Wellenamplituden zu erzielen, die für die Detektion ausreichend sind, wobei die erforderliche Erregungsspannung auf Grundlage der Effizienz des Wandlers und des Sensors selbst variieren wird.
Der empfangende Wandler ist ebenfalls ein piezoelektrisches Element mit leitenden Elementen auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen und kann in bestimmten Ausführungen auch der übertragende Wandler selbst sein. Wird für die Übertragung und den Empfang derselbe Wandler eingesetzt, wird die hochempfindliche Niederspannungs-Empfangselektronik vorübergehend mittels einer hochohmigen Schaltung von der übertragenden Elektronik getrennt. Das ist vorstehend beschrieben. Selbst wenn zwei verschiedene Wandler eingesetzt werden, oder Wandler getrennt für die verschiedenen Achsen vorgesehen sind, kann die empfangende Elektronik während einer beliebigen Wellenerregung im Substrat abgeschaltet werden, da die direkte Leitung einer übertragenen Welle zu einem empfangenden Wandler unverträglich hohe Spannungen für das Empfangssystem erzeugen kann. Die normale empfangene Signalamplitude liegt zwischen ca. 1V und ca. 10V RMS [Effektivwert], obgleich dies entsprechend der Systemgestaltung variieren kann.
Der übertragende Wandler empfängt ein Erregungssignal, eine Sinus- oder Pseudosinus-Welle der erwünschten Frequenz, das direkt vom Controller gesteuert wird. Die bevorzugte Erregungsfrequenz ist ca. 5,53 MHz und liegt somit innerhalb der direkten Steuerungskapazität des Mikrocomputer-Steuersystems. Im Allgemeinen bleibt die Erregungsamplitude für ein gegebenes System konstant, obwohl gemäß vorliegender Erfindung die Amplitude für verschiedene Einsatzbedingungen des Sensors über den Verlauf einer einzelnen Impulskette variiert werden kann. Der Sensor ist normalerweise für den Einsatz bei einer bestimmten Frequenz oder einem bestimmten Satz von Frequenzen eingestellt, so dass dieser Parameter vorgegeben ist, doch kann das System auch eine Betriebsfrequenz aufweisen, die Änderungen des Umfelds, z.B. der Temperatur, ausgleicht.
Gemäß vorliegender Erfindung kann auch eine Pulskompression (Chirp) oder eine Pseudo-Pulskompression zum Einsatz kommen. Eine Pulskompression kann verwendet werden, wenn der akustische Strahl auf einen bestimmten Ort gebündelt werden soll und die reflektierende Anordnung daher so ausgestaltet ist, dass sie Wellen ablenkt, die nur eine für den Ort spezifische Frequenz aufweisen, z.B. die reflektierende Anordnung hat eine Reflektionseigenschaft (nicht die Amplitude), die sich mit der Entfernung verändert, wie z.B. den Winkel des reflektierenden Elements und/oder dessen Beabstandung. Somit könnte der Chirp die Gesamtheit der Orte durchlaufen, und eine vorgegebene Frequenz würde einen bestimmten Ort auswählen.
18 zeigt ein Blockdiagramm der Analogschaltungs-Schnittstelle für die Wandler. Der empfangende Wandler ist mit der Empfangselektronik verbunden, wenn der übertragende Wandler (Sender) inaktiv ist. Der empfangende Wandler entwickelt ein Spannungssignal von ca. 1V–10V RMS als Rückmeldung auf das zurückkehrende akustische Signal. Eingangssignale von einem Empfangswandler 1801 bzw. 1802 für die X- bzw. Y-Achse werden jeweils entkoppelt, um Überlastung während der Erregung des Übertragungswandlers zu verhindern, was nicht abgebildet ist. Die Signale sind kapazitiv gekoppelt, z.B. durch ein Hochpassfilter 1803, 1804, und werden durch Vorverstärker 1805, 1806 verstärkt. Die Ausgänge der multiplen Vorverstärker 1805, 1806 werden mittels eines Multiplexers 1807 zeit-multiplexiert. Der Ausgang des Multiplexers 1807 wird verstärkt, vorzugsweise durch einen selbstregelnden oder einstellbaren Regelverstärker 1809, z. B. einen spannungsgesteuerten Verstärker. Ein geeigneter selbstregelnder Regelverstärker ist der MC1350, der ein HF- Regelverstärker mit automatischer Verstärkungsregelung ist. Ein Bandpassfilter 1808 wird zwischen dem Multiplexer 1807 und dem selbstregelnder Regelverstärker 1809 angeordnet. Der Ausgang des selbstregelnden Regelverstärkers 1809 wird in einem Hochpassfilter 1810 kapazitiv oder induktiv mit einem AM-Detektor, der z.B. ein Vollweggleichrichtungs-Schaltkreis 1811 sein kann, AC-gekoppelt. Ein geeigneter Detektor ist ein MC1330-Detektor. Die Ausgabe des Detektors besteht aus einem gleichgerichteten GS-Signal mit einer Amplitude, die durch die Positionsinformation moduliert wird, und wird durch ein Tiefpassfilter 1812 gefiltert, um die Trägerfrequenz zu eliminieren und die Information zu bewahren. Das Filter wird dann durch einen Pufferverstärker 1830 gepuffert und unter richtige Vorspannung gesetzt. Der Ausgang 1814 des Puffers wird dann durch einen Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) mit einer Auflösung von 8–12 Bit und einer Frequenz, die über Nyquist-Rate liegt, z.B. ca. 1 Megasample pro Sekunde, abgetastet. Da diese Datenrate die Kapazität des Mikrocontrollers übersteigen kann, wird die Ausgabe des A/D-Wandlers in einem Speicher gepuffert, der als FIFO-Puffer, Ringpuffer oder Random-Access-Memory (RAM) konfiguriert sein kann.
Rücken-an-Rücken-Dioden können verwendet werden, um den Eingang in den das empfangende Signal aufbreitenden Empfangskreis zu schützen, und eine Kanalauswahlschaltung kann mit einer anderen Diode in bekannter Weise implementiert werden. Die Treiber für die übertragenden piezoelektrischen Wandler können zum Beispiel Treiber de_s Typs SI9942 N und P-Kanal-MOS-Treiber sein, die von der logischen Ebene aus durch einen TC1427-Treiber angesteuert werden.
Nachdem das Signal erfasst wurde, wird es zur Analyse zum digitalen Prozessor übertragen. Diese Analyse kann eine einfache Analyse der Abweichung von der Basislinie sein, die über dem Grenzwert liegende Variationen der Signal-Amplitude detektiert, die Berührung repräsentieren. Die Analyse kann auch eine digitale Filtrierung mittels FIR [finite impulse response – endliche Impulsantwort] (gleitender Mittelwert), IIR [infinite Impulse response – unendliche Impulsantwort], Autoregression oder komplexere Filter wie Autoregression und Moving-Average-Verfahren [Filterung mit gleitender Mittelwertbildung] umfassen. Bei der Bearbeitung wird die charakteristische Zeitverzögerung für eine Störung in die Position einer Berührung übersetzt. Diese Konversion kann auch einen Ausgleich für Nichtlinearitäten oder Variationen im System umfassen, der vorprogrammiert, adaptiv oder als Rückmeldung auf Umgebungssensoren erfolgt. So kann beispielsweise eine Uneinheitlichkeit im Substrat ein nichtlineares Verhältnis zwischen der Verzögerungsdauer (Laufzeit) und Position an einer bestimmten Stelle des Sensors verursachen. Im einem Kalibrierungsverfahren lässt sich dies entdecken und abschließend ausgleichen. Entsprechend können auch Änderungen der Umgebungsbedingungen die Zeit-Positionsverhältnisse ändern. Wird ein Finger als Berührungsglied verwendet, ist erwünscht, die Berührungsspitze zu orten. Die Position der Fingerspitze im Verhältnis zum akustisch absorbierenden Zentrum des Fingerfelds kann über den Bereich des Sensors bei verschiedenen Bedienern variieren. Die Steuerung kann vorprogrammiert sein oder lernt, diese Faktoren mittels traditioneller logischer oder modellbasierter Methoden, eines Expertensystems, Fuzzy-Logic, neuronalen Netzen oder anderen bekannten Verfahren auszugleichen.
Ist die empfangene Wellenform komplex, einschließlich Multipfad-Echo aus der Sensorscheibe oder sonstiger störender Signale, kann es bevorzugt sein, das empfangene Signal bei sehr hoher Auslösung zu verarbeiten, um diese Effekte aufzulösen. Zum Beispiel kann das empfangene Signal direkt nach der Vorverstärkung und Standardsignalaufbereitung digitalisiert und mittels digitalem Signalprozessor (DSP) verarbeitet werden. In diesem Fall kann der DSP in Echtzeit arbeiten, obgleich bevorzugt wird, die empfangene digitalisierte Wellenform in einer RAM zu puffern und mit einiger Latenzzeit zu verarbeiten. In diesem Fall ist für eine Erregung von 5,53 MHz und eine Echoanalyse bei 0,500 ms ein RAM-Puffer der Ordnung von ca. 8 Kilobyte erforderlich, wobei alle 83 ns abgetastet wird. Diese Speicheranforderung kann selbstverständlich reduziert werden, wenn das ganze Signal nicht vollständig analysiert werden muss; zum Beispiel kann das Signal zeitlich aufgeteilt oder Blöcke aufeinanderfolgender Abtastungen können konsekutiv analysiert werden. Das konzentriert die Analyse auf Abschnitte des Sensors für jeden Erregungs-Burst.
GESTALTUNG REFLEKTIERENDER ANORDNUNGEN
Die reflektierenden Anordnungen werden vorzugsweise durch Aufbringung von Glasfritten durch eine Schablone auf die obere Oberfläche 40 des Substrats 10 aufgebracht. Die reflektierenden Anordnungen 28, 30, 34 und 36 können auch aus Metall gebildet und auf die obere Oberfläche 40 des Substrats 10 aufgeklebt werden. Wie vorstehend erörtert, ist jedes reflektierende Element der Anordnungen 28, 30, 34 und 36 in einem Winkel angeordnet, der entsprechend selektiert wird, um eine HOHPS-Welle bestimmter Ordnung im Verhältnis zu ihrem zugeordneten Wandler 18, 20, 22 und 24 in Richtung eines entsprechenden reflektierenden Elements der gegenüberliegenden reflektierenden Anordnung oder einer reflektierenden Kante zu lenken, so dass entlang der Achse der reflektierenden Anordnung eine VLCW verläuft, während die Energie der VLCW als HOHPS-Welle über/durch das Substrat zur Gegenseite geleitet und im Anschluss in eine VLCW zurückkonvertiert und durch den Empfänger detektiert wird. Vorzugsweise entspricht die Beabstandung zwischen benachbarten reflektierenden Elementen entlang der Achse der Anordnung einem ganzzahligen Vielfachen einer Wellenlänge der durch den jeweiligen Wandler in das Substrat 10 geleiteten VLCW. Die reflektierenden Elemente sind vorzugsweise ca. eine halbe Wellenlänge breit. Des weiteren entspricht die Breite jeder reflektierenden Anordnung 18, 20, 22 und 24 in etwa der Breite des Wandlers, wobei das an den Wandler angelegte Treibsignal eine Sinuswelle ist, deren Zyklenanzahl im Wesentlichen der Anordnungsbreite geteilt durch eine Konstante entspricht, wie bereits erörtert. Die Anordnung kann auch entsprechend der Verbreiterung der übertragenen VLCW bei der Ausbreitung durch die Anordnung in ihrer Breite variieren.
MODENSELEKTIVE FILTER
Eine konstante Leistungsdichte der Scherwelle im Substrat wird durch Erhöhung der Energie-Reflektivität an Punkten entlang der Anordnung mit zunehmender Entfernung der Punkte entlang der Anordnung vom jeweiligen Wandler durch Bereitstellung einer reflektierenden Anordnung variabler Höhe gemäß 4 sowie gemäß den vorstehenden Gleichungen 2,3 und 4 erzielt. Die in 8 gezeigten Wellenformen lassen sich durch Einsatz solcher reflektierender Elemente variabler Höhe erzielen, wobei die Amplitude der von den Elementen der Anordnung reflektierten HOHPS-Wellen in Abwesenheit einer Berührung über die Anordnung im Wesentlichen konstant gehalten wird.
13 und 14 stellen Methoden der weiteren Reduzierung von Interferenz durch unerwünschte Wellen dar, die durch Scherwellen von Ordnungen erzeugt werden können, die sich von jener der erwünschten Welle unterscheiden. Insbesondere sind in 13 neben jeder der reflektierenden Anordnungen 28, 30, 34 und 36 Reflektoren 50 zur Unterdrückung ungewollter Wellentypen (HOHPS) positioniert, wobei die Reflektoren 50 sich parallel zur Achse der entsprechenden Anordnung erstrecken. Die Beabstandung zwischen den Reflektorstreifen wird so gewählt, dass sie einem Viertel einer Wellenlänge der durchzuleitenden Welle entspricht. In einem alternativen Ausführungsbeispiel gemäß 14 wird ein Streifen eines absorbierenden Materials 52 sowohl auf der oberen Fläche 40 als auch auf der unteren Oberfläche 42 des Substrats neben und vor jeder der reflektierenden Anordnungen 28, 30, 34 und 36 angeordnet, um die unbeabsichtigte Lamb-Wellenenergie zu absorbieren. Vorzugsweise werden Lamb-Wellen im Hinblick auf HOHPS-Wellen absorbiert. Effiziente Absorptionsstreifen lassen sich aus Epoxydharzen, Silikonen und dergleichen oder aus Band herstellen. Die Breite der absorbierenden Steifen liegt vorzugsweise bei nicht mehr als 25% der Anordnungsbreite, d.h. ca. 3mm. Es ist für besondere Anwendungen erforderlich, die Berührungsscheibe mit einem Dichtmittel an einer darüber liegenden Einfassung oder Abschrägung zu befestigen, wobei das Dichtmittel RTV-Silikon oder dergleichen sein kann und das Dichtmittel selbst die Rolle der oberen absorbierenden Streifen übernehmen kann.
Bei Anwendungen, in denen eine Einfassung oder Abschrägung erforderlich ist, die sich um den äußeren Umfang der Berührungsscheibe erstreckt, kann die Einfassung oder Abschrägung in ihrer Breite begrenzt werden, damit sie nicht die reflektierenden Anordnungen und absorbierenden Streifen aus Sicht des Beobachtungsbereichs der Anzeige verdeckt. 16 zeigt ein sehr effizientes Ausführungsbeispiel, das dieses Problem mindert. Hier sind die reflektierenden Elemente in den Anordnungen 28' und 30' um 90° im Verhältnis zu den Anordnungen 28 und 30 gemäß 3 gedreht. Diese absorbierenden Streifen unterdrücken unerwünschte Wellen mit vertikaler Komponente, d.h. Rayleigh- und Lamb-Wellen. Die HOHPS-Welle des erwünschten Typs wird nun nach außen auf die benachbarte Kante 220 des Substrats reflektiert, die als hoch-effizientes reflektierendes Element dient, um die Wellenenergie über das Substrat zur gegenüberliegenden Kante 222 umzulenken. Nach Reflektion durch die Kante passiert die Welle durch die Anordnung 28', wobei ein Anteil der Wellenenergie als VLCW nach links umgelenkt wird. Die gegenüberliegende Kante 222 reflektiert die Wellen zur empfangenden Anordnung 30', die die Wellen ihrerseits in den empfangenden Wandler 20 leitet, wobei ein vergleichbarer Anteil der Energie beim Passieren der Welle von der empfangenden Anordnung nach rechts umgelenkt wird. Der Zweck dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, dass es die Anordnung eines selektiven Filters 52 an der Rückseite der Anordnungen 28' und 30' nahe den Kanten 220 und 222 des Substrats 10 gestattet, wodurch Raum an der Vorderseite der Anordnung frei wird. Der reflektierende Pfad durchquert jeden absorbierenden Streifen zweimal in Richtung zum und vom Streifen, und daher sind die Streifen ca. zweimal so wirksam und lassen sich folglich in ihrer Breite reduzieren.
In der Praxis lässt sich die Funktion der absorbierenden Streifen in das Band integrieren, das die Übertragungs- und Empfangskabel auf die Kante des Substrats begrenzt. Die Unterscheidung von HOHPS-Wellen gegenüber ungewollten VLCW-Wellentypen wird durch die Aktivität der Anordnungen weiter erhöht, die selektiv einen größeren Anteil von VLCW-Wellen beim Passieren der Anordnungen nach der Kantenreflektion aus dem Signalpfad ausscheiden. Anzumerken ist, dass 16 aus Gründen der Einfachheit nur zwei Anordnungen 28' und 30' zeigt und dass ein entsprechender Satz Anordnungen für eine weitere Detektionsachse vorgesehen werden kann. Die reflektierenden Elemente in den Anordnungen, die in anderen Abbildungen dargestellt sind, die weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, lassen sich auch um 90°rotieren, wie dem Fachmann bekannt ist.
Anzumerken ist, dass gemäß vorliegender Erfindung die Beugung der VLCW durch die reflektierenden Anordnungen eine Mehrzahl von HOHPS-Wellen erzeugt, die sich auf Grund der Unterschiede in den Phasengeschwindigkeiten der verschiedenen Wellentypen in unterschiedlichen Winkeln ausbreiten. Daher kann das Substrat eine semireflektierende Struktur aufweisen, z.B. die Kante 32, die von der Anordnung beabstandet ist, um konstruktive Interferenz zur Verstärkung des erwünschten Typs und/oder destruktive Interferenz zur Blockierung eines störenden Typs zu erzeugen. Diese Struktur lässt sich in gleicher Weise und durch das gleiche Verfahren ausbilden wie die reflektierende Anordnung, so dass die Platzierung dieser Struktur erleichtert wird. Wird die HOHPS-Welle selektiert, um sich im rechten Winkel zur reflektierenden Anordnung auszubreiten und verläuft die reflektierende Anordnung parallel zum Substrat, wird daher, wenn die Anordnung so platziert ist, dass die Reflektion von der Struktur phasengleich mit dem erwünschten HOHPS-Typs ist, die erwünschte HOHPS-Welle verstärkt.
Anzumerken ist ebenfalls, dass die erwünschte HOHPS-Welle sich nicht im rechten Winkel zur reflektierenden Anordnung ausbreiten muss, sondern auch in einem anderen Winkel ausbreiten kann, solange die gegenüberliegende Anordnung so platziert ist, dass die HOHPS-Welle des erwünschten Typs in eine VLCW gewandelt und diese einem empfangenden Wandler zugeführt wird.
Des weiteren kann eine Kante des Substrats so ausgebildet sein, dass sie Facetten aufweist, welche die HOHPS-Welle in die gewünschte Richtung leiten, oder dass sie ein entsprechendes Anordnungsmuster aufweist, das die reflektierende Anordnung bei der Auswahl der HOHPS-Welle des erwünschten Typs unterstützt und/oder mit derselben kooperiert. Normalerweise haben diese Facetten jeweils eine Front, die im erwünschten Winkel zur Reflektion der Welle platziert ist, wobei jede solche Front mit einer Ganzzahl halber Wellenlängen beabstandet ist, um die Phasenkohärenz der Welle zu erhalten. Somit wirkt das gesamte Substrat als Filter für die Welle des erwünschten Wellentyps und es können Standard-Abstimmungs- und Optimierungstechniken eingesetzt werden.
Ein Plastikstreifen mit einer optischen Beschichtung, z.B. einer Folie mit einer von OCLI hergestellten HEA-Beschichtung, kann auf die untere Oberfläche des Substrats 10 laminiert werden, um optische Reflektion zu eliminieren oder zu minimieren. Solch eine Plastikbeschichtung auf der Rückseite des Substrats kann aus Sicherheitsgründen eingesetzt werden, um die durch Bruch eines Glassubstrats verursachten Schäden zu begrenzen. Auch kann das Glas gehärtet werden, was den Bedarf an anderen Verstärkungs- oder Bruchbegrenzungsmaßnahmen einschränkt. So kann ein bevorzugtes Glassubstrat gemäß vorliegender Erfindung mit einer Dicke von 0,090" gehärtet, beschichtet oder in sonstiger bekannter Weise behandelt werden. Dieser Plastikstreifen dient bevorzugt als modenselektives Filter, weshalb seine Dicke und akustischen Eigenschaften sorgfältig zu kontrollieren sind.
Im Allgemeinen absorbieren solche Plastikbeschichtungen Scherwellen und sollten nicht eingesetzt werden, wenn eine Dämpfung der Scherwellen unerwünscht ist, obgleich solche Beschichtungen oder Schichten auf einer Oberfläche gegenüber einer VLCW-Sensoroberfläche eingesetzt werden können.
ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DES SENSORSYSTEMS
10 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Berührungssensors gemäß vorliegender Erfindung, das einen einzigen Wandler für die Übertragung und den Empfang der VLCW für jede Achse aufweist, für welche die Koordinaten einer Berührung zu bestimmen sind. Des weiteren weist der Berührungspositionssensor gemäß 10 nicht wie das Ausführungsbeispiel gemäß 3 zwei reflektierende Anordnungen für jede Achse auf, sondern eine einzige reflektierende Anordnung 28, 34 für jede Achse, wobei die Seite 32, 44 des Substrats 10, die jede dieser Anordnungen 28,34 gegenüberliegt, entsprechend bearbeitet wird, um eine reflektierende Kante zu erhalten. Da Scherwellen mit hoher Effizienz reflektiert werden, reflektiert die reflektierende Kante 32 und 44 des Substrats 10 die sich im rechten Winkel zu ihr ausbreitenden HOHP5-Wellen ohne bedeutenden Energieverlust.
Insbesondere werden die Wandler 18, 20 mit Sende-/ Empfangsschaltern 146, 148 gekoppelt, die durch die Steuereinheit 74 gesteuert werden, um den X- oder Y-Treiber 76 bzw. Burst-Generator mit den Wandlern 18, 20 in einem ersten Zeitabschnitt zu koppeln und das Treibsignal an dieselben anzulegen. Die Wandler 18, 20 reagieren auf das Treibsignal, um eine VLCW in das Substrat 10 zu leiten, die sich jeweils entlang der Achse der Anordnung 28, 34 ausbreitet. Die reflektierenden Elemente der Anordnungen 28, 34 reflektieren Anteile der auf sie einfallenden VLCW als HOHPS-Welle eines ausgewählten Typs, die in normalem Winkel zur einfallenden VLCW über das Substrat 10 in Richtung Y oder X bzw. zu den reflektierenden Kanten 32, 44 des Substrats 10 verläuft. Die Substratkanten 32, 44 reflektieren die sich im rechten Winkel zu ihnen ausbreitenden HOHPS-Wellen zurück zu den reflektierenden Anordnungen 28, 34, die die Wellen ihrerseits als VLCW zurück zu den Wandlern 18, 20 reflektieren. Nachdem das Treibsignal an die Wandler 18, 20 angelegt wurde, ändert die Steuereinheit den Status der Sende-/Empfangsschalter 146, 148 in die Empfangsposition, wobei die Wandler 18, 20 mit dem HF-Verstärker 82 gekoppelt werden, so dass die von den Wandlern abgefühlten VLCW mit dem Positionserkennungsschaltkreis gekoppelt werden.
DRITTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DES SENSORSYSTEMS
11 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Berührungspositionssensors gemäß vorliegender Erfindung, das einen einzigen Wandler für die Übertragung und den Empfang der VLCW für die beiden rechtwinkligen Achsen aufweist, für die die Koordinaten einer Berührung zu bestimmen sind. In diesem Ausführungsbeispiel werden zwei reflektierende Anordnungen eingesetzt, d.h. eine erste reflektierende Anordnung 28, die sich entlang einer zur Seite 26, auf welcher der Wandler 18 angebracht ist, in rechtem Winkel liegenden Achse erstreckt, und eine zweite reflektierende Anordnung 36, die sich entlang einer zur Achse der ersten Anordnung 28 in rechtem Winkel liegenden und dem Ende der Anordnung 28 benachbarten Achse erstreckt. Um eine VLCW, die sich entlang der Achse der reflektierenden Anordnung 28 ausbreitet, mit der in rechtem Winkel angeordneten reflektierenden Anordnung 36 zu koppeln, wird die die Achsen der Anordnungen 28 und 36 durchkreuzende Ecke des Substrats 10 beschnitten, um eine reflektierende Kante 46 zu erhalten, die in einem Winkel von 45° zu den benachbarten Seiten 44 und 48 des Substrats 10 angeordnet ist. Selbstverständlich kann diese Ecke gemäß vorliegender Erfindung andere Konfigurationen aufweisen, um das Signal zu filtern, einen ausgewählten Winkel aufweisen, um die Welle in eine auf die reflektierende Anordnung 36 gerichteten HOHPS-Welle umzuwandeln, welche sodann reflektiert wird und das Substrat als VLCW durchquert, wodurch ein Doppelmodusbetrieb entlang der verschiedenen Achsen möglich ist, sowie weitere Funktionen vorsehen.
Als Reaktion auf ein Treibsignal vom Treiber 76 leitet der Wandler 18 eine VLCW auf das Substrat 10, welche sich entlang der Achse der Anordnung 28 ausbreitet. Die reflektierenden Elemente der Anordnung 28 reflektieren Anteile der VLCW als HOHPS-Welle eines ausgewählten Typs entlang einer Mehrzahl von Pfaden parallel zur Y-Achse zur Seite 32 des Substrats 10, wobei die Seite 32 entsprechend bearbeitet ist, um eine reflektierende Kante zu aufzuweisen. Die Seite 32 des Substrats 10 reflektiert die sich in rechtem Winkel zu ihr ausbreitenden HOHPS-Wellen zurück zur Anordnung 28, die ihrerseits VLCW reflektiert, die aus den durch die reflektierende Anordnung von der Seite 32 zurück zum Wandler 18 reflektierten HOHPS-Wellen abgeleitet sind. Trifft die VLCW, die sich entlang der Achse der reflektierenden Anordnung 28 ausbreitet, auf die reflektierende Kante 46, reflektiert die Kante 46 die VLCW entlang der Achse der zweiten Anordnung 36.
Die Elemente der zweiten Anordnung 36 reflektieren Anteile der VLCW entlang parallelen Pfaden als HOHPS-Welle des ausgewählten Typs über/durch das Substrat in Richtung X zur gegenüberliegenden Seite 26 des Substrats 10, die so bearbeitet ist, dass eine zweite reflektierende Kante vorhanden ist. Die Substratseite 26 reflektiert die sich im rechtem Winkel zu ihr ausbreitenden HOHPS-Wellen zurück zur zweiten reflektierenden Anordnung 36, die ihrerseits die HOHPS-Wellen als VLCW zur reflektierenden Kante 46 reflektiert. Die reflektierende Kante 46 reflektiert die VLCW dann zurück zum Wandler 18. Der Wandler 18 fühlt die zurückreflektierte VLCW ab und gibt ein Signal ab, das sie repräsentiert.
Dieser Betriebsmodus wird als dreifacher Transitmodus bezeichnet. Im dreifachen Transitmodus wird die Amplitude des vom Wandler 18 gelieferten Signals im Vergleich zur Amplitude eines vom Wandler 20 erzeugten Signals wie in
3 dargestellt reduziert, wobei diese Differenz der Amplitude in 12 dargestellt ist. Aufgrund der Erhöhung der partiellen Empfindlichkeit des Dreifach-Transit-Sensors auf ein Niveau, das ca. 3dB höher ist als beim einfachen Transitmodus, kann die Grenzwerteinrichtung 86 eliminiert werden, weil die Welle die absorbierende Struktur zweimal passiert und somit ein proportional höherer Anteil der Wellenenergie absorbiert wird. Anzumerken ist, dass der Wandler 18 im bevorzugten Ausführungsbeispiel auf der Seite des Substrats 10 angeordnet ist, die im rechten Winkel zur Achse der längsten reflektierenden Anordnung verläuft, so dass keine überlappenden Pfadlängen in Zusammenhang mit der X-Anordnung und Y-Anordnung auftreten.
VIERTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL EINES SENSORSYSTEMS
Ein viertes Ausführungsbeispiel des Berührungspositionssensors gemäß vorliegender Erfindung ist in 19 dargestellt und umfasst einen einzigen Wandler für die Übertragung und den Empfang der VLCW, die mit den einzelnen Achsen verknüpft sind, für welche die Koordinaten einer Berührung zu bestimmen sind. Der Berührungspositionssensor weist eine einzige reflektierende Anordnung 28, 34 für jede Achse auf, wobei die Seite 32, 44 des Substrats 10, die jeder Anordnung 28, 34 gegenüberliegt, dergestalt bearbeitet ist, dass eine reflektierende Kante gegeben ist. Die Ausführung der Schaltanordnung ähnelt jener, die für das zweite Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems vorstehend beschrieben wurde.
Anzumerken ist, dass eine Love-Welle komplex ist, da sie eine longitudinale Oberflächenwellenenergiekomponente, eine vertikale Wellenenergiekomponente und eine uneinheitlich (entlang der vertikalen Achse) verteilte Scherwellenen-Energiekomponente aufweist. Daher erfüllt die Love-Welle die Bedingungen einer akustischen Welle mit im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des ausbreitenden Mediums verlaufender horizontaler Komponente des Scherwellentyps, uneinheitlicher volumetrischer Energiedichte entlang einer in Normalenrichtung zur Oberfläche verlaufenden vertikalen Achse, Energie an der Oberfläche und ist darüber hinaus eine akustische Welle mit einer longitudinalen Oberflächenenergiekomponente. Somit kann der übertragende Wandler eine axial sich ausbreitende Love-Welle einleiten, die als räumlich gestreute Love-Welle in den aktiven Bereich des Substrats reflektiert werden kann und des weiteren in jeder geeigneten Weise detektiert werden kann, einschließlich durch Reflektion der räumlich gestreuten Love-Welle als sich axial in Richtung eines empfangenden Wandlers ausbreitende Love-Welle. Ist das Substrat ein einheitliches Laminat, würde sogar erwartet, dass alle sich ausbreitenden Wellen aufgrund der Inhomogenität des Substrats Love-Wellenenergie aufweisen. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung lassen sich verwenden, um die Love-Wellenenergie zu reflektieren und gleichzeitig einen bestimmten Love-Wellentyp für das Abfühlen zu selektieren. Des weiteren muss das Substrat nicht über den gesamten Bereich einheitlich sein, so dass der aktive abfühlende Bereich des Substrats die Ausbreitung von Love-Wellen unterstützt, während der um den Wandler liegende Bereich einen anderen Modus der Wellenausbreitung unterstützen kann. Selbstverständlich ist in diesem Fall darauf zu achten, unerwünschte Diskontinuitäten zu vermeiden, die die Kopplungseffizienz der Welle von einem Bereich des Substrats zum anderen reduzieren würden.
Das Substrat ist ein Verbundlaminat aus einem 3 mm dicken Streifen Borsilikatglas 230 und einem 3 mm dicken Streifen Natronkalkglas 231. Sie werden z.B. mit einem lichthärtenden transparenten Harzklebstoff 232 oder dergleichen laminiert. Bei einer Erregungsfrequenz von 5,53 MHz weist Borsilikatglas 230 eine Scherwellengeschwindigkeit von 328 m/Sek. auf, während Natronkalkglas 231 eine Scherwellengeschwindigkeit von 3350 m/Sek., d.h. ein Verhältnis von 0,98 aufweist. Dieses Substrat unterstützt die Ausbreitung von Love-Wellen. Siehe Auld, B.A., Acoustic Waves Fields and Waves in Solids, Vol. II, S.95–99.
Eine Love-Welle ist eine asymmetrische Wellenform, die die folgende Gleichung erfüllt: tan (k(ts)b) = Vs'Zs', mit n·π < k(ts) b < n·π + π/2 Gleichung 5 wobei n die Ordnung der Love-Welle ist. Diese Wellen weisen Energie auf, die exponentiell mit zunehmender Tiefe abfällt, so dass eine Seite, welche die niedrigere Ausbreitungsgeschwindigkeit aufweist, den überwiegenden Anteil der volumetrischen Energiedichte besitzt, während die andere Seite erheblich geringere volumetrische Wellenenergie aufweist und berührungsunempfindlich ist. Diese Wellen sind Wellen des Scherwellentyps in gewissem Maße ähnlich und reflektieren mit hoher Effizienz.
Ein anderes Substrat wurde bei Raumtemperatur aus einem 0,090" [2,286 mm] dicken Natronkalkglas und einem 0,100" [2,54 mm] dicken Borsilikatglas hergestellt, die mit UV-härtendem Klebstoff Dymax 628-T, einem bevorzugten Klebstoff für die Verklebung von Wandlerkeilen auf Glassubstraten, verklebt wurden. Das resultierende laminierte Substrat weist Abmessungen von ca. 7,6" [193 mm] mal 10,8" [274,3 mm] auf. Das Laminatsubstrat wurde durch Erhitzung von Raumtemperatur auf 100°C mit einer Geschwindigkeit von 20°C pro 20 Minuten geprüft. Es wurde keine Ablösung, Rissbildung oder sonstige Änderung beobachtet, ausgenommen eine Biegung des Substrats, welche durch die Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der laminierten Schichten bedingt ist. Bei 100°C lag die Borsilikatschicht (niedrigerer thermischer Ausdehnungskoeffizient) auf der konkaven Seite mit einem Strahlenpfeil [sagitta] in der Dimension 10,8" von 0,045", d.h, nahe den theoretisch erwarteten 0,062".
Ein laminiertes Substrat mit einer 0,100" dicken Borsilikatglasschicht und einer 0,090" dicken Natronkalkschicht weist ein vorausgesagtes Verhältnis der Berührungsempfindlichkeit auf der vorderen und hinteren Oberfläche von ca. 40dB auf.
Die Wandler sind auf Plastikkeilen aufgebrachte piezoelektrische Elemente und auf der Borsilikatglasseite des Substrats mit dem UV-härtenden Kleber Dymax 628-T aufgebracht.
Zu beachten ist, dass die vorliegend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele und Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht als Begrenzung des Umfangs der vorliegenden Erfindung auszulegen sind, der ausschließlich in den beigefügten Ansprüchen ordnungsgemäß abgegrenzt ist.

Claims

Akustische Vorrichtung, umfassend – ein Substrat mit einer Oberfläche, das die Ausbreitung von akustischen Wellen unterstützt, – wobei die Wellen eine horizontal polarisierte Komponente haben, – und Elemente einer reflektierenden Anordnung, um eine vertikal polarisierte transversale Welle, – die eine longitudinale Komponente hat, die sich entlang einer definierten Wellenausbreitungsachse ausbreitet, – in eine horizontal polarisierte Welle vom Typ einer Scherwelle zu wandeln, die sich in dem genannten Substrat ausbreitet, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat horizontal polarisierte Wellen vom Typ einer Scherwelle unterstützt, die ungleichförmige volumetrische Energiedichten entlang einer Achse besitzen, die in Normalenrichtung zu der genannten Oberfläche (40) steht; und dadurch, dass der Winkel der Elemente der reflektierenden Anordnung (28,30,34,36) in Bezug auf den Einfallswinkel der vertikal polarisierten transversalen Welle so eingestellt ist, dass der Ausbreitungsmodus der genannten horizontal polarisierten Welle vom Typ einer Scherwelle, die die genannten ungleichförmigen volumetrischen Energiedichten hat, bestimmbar ist.
Akustische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen, die eine longitudinale Kom ponente haben, wie wenigstens eine akustische Welle mit einer horizontalen Scher-Komponente, eine Achse in Richtung von Pfaden haben, die unterschiedliche Versetzungen entlang der genannten Achse besitzen.
Akustische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Elemente der reflektierenden Anordnung (28,30,34,36) ein Streugitter aus akustischen Streuelementen umfassen, das die Modi der genannten horizontalen Scher-Komponenten auftrennt, die im wesentlichen parallel zu der Oberfläche (40) verlaufen, wie Wellen, die eine ungleichförmige volumetrische Energiedichte entlang einer vertikalen Achse haben, die in Normalenrichtung zu der genannten Oberfläche steht und Energie an der genannten Oberfläche, entsprechend [vorhandenen] Unterschieden in der Phasengeschwindigkeit, besitzen.
Akustische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Elemente der reflektierenden Anordnung (28,30,34,36) ein Streugitter aus akustischen Streuelementen umfassen, das in Bezug auf die genannte vertikal polarisierte txansversale Welle, die eine longitudinale Komponente hat, eine Winkelstellung besitzt, die sich um eine Größenordnung von ihrem Winkel in Bezug auf die horizontal polarisierte Scherwelle unterscheidet.
Akustische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin Mittel zum Abfühlen einer durch Berührung ausgelösten Störung der genannten horizontal polarisierten Scherwelle umfasst.
Akustische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin Mittel umfasst, die zur Bestimmung einer Position auf dem genannten Substrat nach einer durch Berührung ausgelösten Störung der genannten horizontal polarisierten Scherwelle dienen.
Akustische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin Mittel zur Erzeugung einer Welle umfasst, die eine longitudinale Komponente umfasst, die sich in dem genannten Substrat in Richtung entlang der genannten definierten Achse ausbreitet.
Akustische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle, die eine horizontal polarisierte Komponente umfasst, sich in einem Winkel von 90° in Bezug auf die definierte Achse ausbreitet.
Akustische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin einen elektroakustischen Wandler (18,20; 20,24) umfasst, um ein elektrisches Signal in eine akustische Welle umzuwandeln, die sich entlang der definierten Achse ausbreitet.
Akustische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin Mittel umfasst, um die Welle, die eine horizontal polarisierte Komponente besitzt, zur Bestimmung einer Störung dieser Welle zu untersuchen, wobei diese Welle, die eine horizontal polarisierte Komponente besitzt, durch die Nähe eines Objektes bei der an die genannten Oberfläche gestört ist.
Akustische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin Mittel umfasst, um eine horizontal polarisierte Welle vom Typ einer Scherwelle, die eine ungleichförmige volumetrische Energiedichte entlang einer Achse aufweist, die in Normalenrichtung zu der genannten Oberfläche verläuft und die sich in dem genannten Substrat ausbreitet, in eine vertikal polarisierte transversale Welle zu rekonvertieren, die eine longitudinale Komponente umfasst und die sich entlang einer zweiten definierten Achse der Weltausbreitung ausbreitet.
Akustische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin einen akustischen Reflektor umfasst, der von den Elementen der reflektierenden Anordnung über das genannte Substrat hin beabstandet ist und dazu dient, die genannte Welle, die eine horizontal polarisierte Komponente umfasst, so zu reflektieren, dass diese zurück zu der reflektierenden Anordnung läuft.
Akustische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die sich ausbreitenden akustischen Wellen eine longitudinale Komponente in Form einer Welle vom Quasi-Rayleigh-Typ umfassen.
Akustische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die sich ausbreitenden akustischen Wellen eine longitudinale Komponente in Form einer Welle vom Lamb-Typ umfassen.
Akustische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Welle mit einer horizontal polarisierten Komponente und einer un gleichförmigen volumetrischen Energiedichte entlang einer vertikalen Achse, die normal zu der genannten Oberfläche (40) steht, eine horizontal polarisierte Scherwelle der Ordnung größer als Null ist.
Akustische Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Welle mit einer horizontal polarisierten Komponente und einer ungleichförmigen volumetrischen Energiedichte entlang einer vertikalen Achse, die normal zu der genannten Oberfläche steht, eine horizontal polarisierte Scherwelle der Ordnung größer als 2 ist.
Akustische Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle mit einer longitudinalen Komponente eine Quasi-Rayleigh-Welle mit einer Frequenz von ungefähr 5,5 MHz ist, wobei die horizontal polarisierte Scherwelle eine horizontal polarisierte Scherwelle der 5. Ordnung ist.
Akustische Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine räumliche Variation der Phasenausbreitungsgeschwindigkeit der Scherwellen-Energie besitzt, wobei die Variation darin besteht, dass ein Material mit geringerer Scherwellen-Geschwindigkeit über einem Material mit höherer Scherwellen-Geschwindigkeit angeordnet ist, wodurch die Fortpflanzung einer Love-Typ-Welle beliebiger Ordnung unterstützt wird.
Akustische Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit geringerer Scherwellen-Geschwindigkeit ausreichend dünn ist, so dass nur Love-Typ-Wellen mit [der Ordnung] n = 0 unterstützt werden.
Akustische Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) eine Dicke besitzt, die ungefähr dem Dreifachen der Rayleigh-Wellenlänge der genannten ersten reflektierten Welle entspricht.
Akustische Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in dem genannten Substrat Glas vorhanden ist, das eine Dicke von etwa 2 mm bis 3 mm besitzt.
Akustische Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Störung der Oberflächeenergie der genannten Welle mit horizontal polarisierter Komponente, als gestörte Welle, die eine geänderte volumetrische Energie-Verteilung entlang der genannten vertikalen Achse aufweist, detektiert wird.
Akustische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Welle, die eine horizontal polarisierte Komponente besitzt, durch ein Objekt in der Nähe zu dem genannten Substrat gestört wird, wobei die gestörte Welle selektiv von der Welle, die eine horizontal polarisierte Komponente aufweist, abgefiltert wird.
Akustische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin einen selektiven Verstärker, der in Bezug auf den Modus der akustischen Welle arbeitet, umfasst.
Verfahren zum Detektieren eines Objektes, unter Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 und zutreffenden Unteransprüchen aus den Ansprüchen 2 bis 24, umfassend folgende Schritte: – Erzeugen einer ersten akustischen Welle, die eine longitudinale Komponente entlang der genannten definierten Achse in dem Substrat besitzt, wobei die definierte Achse parallel zu der genannten Oberfläche ist; – Reflektieren von Teilen der Energie der ersten akustischen Welle als eine zweite akustische Welle, wobei die zweite akustische Welle eine horizontale Energiekomponente vom Scherwellen-Typs besitzt, die im wesentlichen parallel zu der Oberfläche ist, und [damit] Energie an der Oberfläche besitzt, wobei die zweite akustische Welle entlang einer zweiten Achse im Substrat gerichtet ist, die sich von der ersten Achse unterscheidet, und parallel zu der genannten Oberfläche liegt; – Stören der zweiten akustischen Wellen durch Einbringen eines Objektes in die Nähe der genannten Oberfläche des Substrats; und – Detektieren der zweiten gestörten akustischen Welle, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite akustische Welle eine ungleichförmige volumetrische Energiedichte entlang einer vertikalen Achse besitzt, die normal zu der Oberfläche steht.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Störungsschritt weiterhin die Neuverteilung der Wellenenergie der zweiten akustischen Welle unter vorhandenen Ausbreitungsmodi umfasst; und [dadurch gekennzeichnet,] dass der Detektierungsschritt weiterhin das Auffinden von Wellenenergie in Willenausbreitungsmodi umfasst, die in der zweiten akustischen Welle nicht vorhanden sind.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektierungsschritt den Unterschritt umfasst, dass eine gestörte zweite akustische Welle mit einem elektroakustischen Wandler empfangen wird, dass ein elektrisches Signal vom Wandler digitalisiert wird und das digitalisierte Signal digital verarbeitet wird, um in Bezug auf abweichende Rückkehr-Pfade der Wellenenergie, die vom Wandler empfangen wird, zu kompensieren.